Nội dung

GIỚI THIỆU Việc chuyển đổi sang hệ thống năng lƣợng cacbon thấp hơn đã trở thành một yêu cầu cấp thiết mang tính toàn cầu khi cacbon dioxit (CO2) và các phát thải khí nhà kính khác đã đƣợc thừa nhận là những tác nhân gây biến đổi khí hậu. Do đó, việc loại bỏ cacbon trong lĩnh vực năng lƣợng đang trở thành vấn đề ƣu tiên trong chính sách năng lƣợng quốc tế và đổi mới công nghệ cacbon thấp chính là để đạt đƣợc các mục tiêu đó. Trong lĩnh vực năng lƣợng, các công nghệ tái tạo đang phải đối mặt với cả các cơ hội lẫn thách thức. Năng lƣợng đại dƣơng đang thu hút đƣợc sự quan tâm mạnh của cả hai giới chính trị và công nghiệp. Dựa trên các kết quả đáng tin cậy về công nghệ cacbon thấp, các nhà hoạch định chính sách và các nhà đầu tƣ đã tích cực ủng hộ cho đổi mới, nhƣng việc cố gắng thúc đẩy sự thay đổi nhanh chóng cũng có thể dẫn đến những kỳ vọng không thực tế trong ngắn hạn. Đồng thời, yêu cầu triển khai và phát triển nhanh cũng là một thách thức không nhỏ về tài chính và kỹ thuật. Các động cơ và những yếu tố không chắc chắn tồn tại trong lĩnh vực năng lƣợng đại dƣơng cần đƣợc hiểu rõ và cần nhận thức đƣợc tác động tƣơng đối của chúng đến việc điều hành chiến lƣợc phát triển, giúp đẩy nhanh quá trình triển khai năng lƣợng đại dƣơng. Nguồn năng lƣợng từ đại dƣơng trên thế giới rất dồi dào, tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những rào cản và trở ngại quan trọng đối với việc triển khai quy mô lớn các công nghệ khai thác nguồn năng lƣợng tiềm năng này. Hiện nay, chi phí năng lƣợng đại dƣơng cao hơn nhiều so với năng lƣợng gió ngoài khơi. Để trở thành một phần chính thức và đƣợc công nhận trong hỗn hợp năng lƣợng trên thế giới, sản xuất năng lƣợng đại dƣơng cần phải có khả năng cạnh tranh đƣợc với các dạng năng lƣợng tái tạo thay thế. Tiềm năng kỹ thuật chƣa đƣợc nắm rõ là một rào cản quan trọng đối với triển khai toàn cầu và khả năng giảm chi phí đạt đƣợc từ sự đổi mới sáng tạo vẫn còn chƣa chắc chắn. Sự phát triển gia tăng năng lƣợng đại dƣơng có thể mang đến nhiều lợi ích lâu dài, bao gồm: tạo khả năng cho các lộ trình khử cacbon trong cung ứng năng lƣợng, đa dạng hóa danh mục đầu tƣ sản xuất năng lƣợng, an ninh cung ứng năng lƣợng lớn hơn và mang lại các cơ hội kinh tế tiềm năng để phát triển các thị trƣờng trong nƣớc và xuất khẩu cho các nhà phát triển thiết bị và các hãng nằm trong chuỗi cung ứng. Để giúp độc giả có thêm thông tin về một lĩnh vực năng lƣợng đang nổi lên và có rất nhiều tiềm năng cũng nhƣ thách thức, Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia biên soạn Tổng luận ―CÔNG NGHỆ NĂNG LƢỢNG ĐẠI DƢƠNG: HIỆN TRẠNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN‖ nhằm giới thiệu một số nguồn năng lƣợng từ đại dƣơng cũng nhƣ phản ánh hiện trạng, xu thế phát triển của các công nghệ năng lƣợng đại dƣơng trên toàn thế giới. Xin trân trọng giới thiệu cùng độc giả. CỤC THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA 1 I. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Năng lƣợng đại dƣơng và các nguồn năng lƣợng đại dƣơng Nếu đứng trên bờ biển vào một ngày nắng, bạn sẽ cảm nhận đƣợc các nguồn năng lƣợng xung quanh bạn. Đó là nguồn năng lƣợng bức xạ từ Mặt trời làm cho bạn cảm thấy ấm áp, là nguồn năng lƣợng trong gió thổi bay tóc bạn, là các con sóng không ngừng vỗ bờ dƣới chân bạn. Nếu bạn đứng đủ lâu, bạn sẽ thấy mực nƣớc biển dâng lên và hạ xuống cùng với thuỷ triều. Ở sâu bên dƣới, các dòng nƣớc di chuyển xuyên qua các đại dƣơng. Năng lƣợng có mặt ở khắp nơi xung quanh chúng ta đang chờ để đƣợc khai thác. Trong lòng đại dƣơng cũng có những nguồn năng lƣợng dồi dào. Nhiều khu vực có những trữ lƣợng lớn dầu mỏ và khí tự nhiên nằm sâu dƣới đáy biển. Ngoài ra còn có các mỏ chứa đầy khí mêtan, một loại khí giàu năng lƣợng. Đại dƣơng bao phủ gần ba phần tƣ bề mặt Trái đất chứa đựng một nguồn năng lƣợng vô cùng to lớn, có thể cung cấp đủ năng lƣợng mà thế giới cần trong những năm tới và có một số phƣơng pháp khác nhau để khai thác nguồn năng lƣợng này. Thuật ngữ năng lƣợng đại dƣơng ở đây chỉ đề cập đến các nguồn năng lƣợng có nguồn gốc từ các công nghệ sử dụng nƣớc biển làm nguồn năng lƣợng hay để khai thác thế hóa (chemical potential) hoặc thế nhiệt (heat potential) của nƣớc. Năng lƣợng tái tạo trong đại dƣơng bao gồm 5 nguồn khác nhau, mỗi nguồn có xuất xứ khác nhau và cần các công nghệ chuyển hóa khác nhau. Các nguồn đó (Hình 1.1) bao gồm: Hình 1.1. Các nguồn năng lƣợng đại dƣơng 1.1.1. Năng lƣợng sóng Năng lƣợng sóng (khác với sóng ngầm hay sóng thần) là nguồn năng lƣợng đƣợc truyền từ gió vào đại dƣơng. Khi gió thổi trên đại dƣơng, mối tƣơng tác giữa biển-không khí truyền một phần năng lƣợng gió vào nƣớc, tạo thành các con sóng và chính các con sóng tích trữ nguồn năng lƣợng này nhƣ một nguồn thế năng (nằm ở chênh lệch mực nƣớc so với mực nƣớc biển trung bình) và động năng (nằm ở chuyển động của các hạt nƣớc). 2 Việc khai thác năng lƣợng từ sóng hiệu quả hơn việc khai thác năng lƣợng trực tiếp từ gió, do thực tế sóng là dạng năng lƣợng tập trung hơn gió. Nguồn năng lƣợng chứa bên trong sóng đại dƣơng trên thế giới rất lớn; tại một số khu vực có thể đạt hiệu suất 70 MW/km ở đầu sóng. Về lý thuyết, có thể xây dựng các trạm phát điện lớn để chế ngự toàn bộ nguồn năng lƣợng này và đáp ứng hầu hết nhu cầu năng lƣợng của chúng ta. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố tác động đến loại hình phát triển đang trở thành hiện thực này. Sóng biển không nhất quán nhƣ thủy triều và vì thế nảy sinh một vấn đề đặc biệt liên quan đến việc tƣơng xứng giữa cung và cầu. Đây là một trong những lý do chính giải thích tại sao năng lƣợng sóng cho đến nay vẫn chỉ giới hạn ở các chƣơng trình quy mô nhỏ, chƣa có một nhà máy thƣơng mại quy mô lớn nào hoạt động. Nói chung, các con sóng lớn chứa nhiều năng lƣợng hơn. Cụ thể là năng lƣợng sóng đƣợc quyết định bởi chiều cao của sóng, vận tốc sóng, chiều dài sóng và mật độ nƣớc. Kích thƣớc sóng đƣợc quyết định bởi tốc độ gió, chiều dài sóng, độ sâu và địa hình đáy biển (có thể tập trung hay phân tán năng lƣợng sóng). Chuyển động sóng đạt mức cao nhất ở trên bề mặt và giảm dần theo cấp số nhân với chiều sâu; tuy nhiên, năng lƣợng sóng ở dạng sóng áp lực khi ở nƣớc sâu hơn. Thế năng của một tập hợp sóng tỷ lệ thuận với bình phƣơng chiều cao sóng nhân với chu kỳ sóng (khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng). Chu kỳ sóng dài hơn tƣơng ứng với chiều dài sóng dài hơn và chuyển động nhanh hơn. Thế năng tƣơng đƣơng động năng (có thể dùng hết). Năng lƣợng sóng đƣợc biểu thị bằng đơn vị kilôwatt/m. Công thức dƣới đây biểu thị cách tính năng lƣợng sóng. Ngoại trừ sóng tạo ra từ những cơn bão lớn, khi các con sóng lớn nhất cao khoảng 15 m và có chu kỳ khoảng 15 giây. Theo công thức này, những con sóng nhƣ vậy chứa khoảng 1.700 kilowatt thế năng/m ở đầu sóng. Một vị trí có năng lƣợng sóng tốt sẽ có thông lƣợng trung bình thấp hơn, khoảng 50 kW/m. Công thức tính năng lƣợng sóng: P = kH2T ~ 0,5 H2T, Trong đó: P = Năng lƣợng (kW/m); k = hằng số; H = chiều cao sóng (từ đỉnh đến vùng thấp nhất giữa hai ngọn sóng) tính bằng m; và T = chu kỳ sóng (đỉnh đến đỉnh) tính bằng giây. Trên lý thuyết, tổng tiềm năng năng lƣợng sóng ƣớc tính đạt 32.000 TWh/năm (TWh =1012 Wh) (115 Exujoule (EJ)/năm) (EJ = 1018J), cao gần gấp đôi nguồn cung cấp điện năng toàn cầu năm 2008 (16.800 TWh/năm hay 54 EJ/năm). Số liệu này không bị giới hạn bởi khu vực địa lý, kỹ thuật hay những cân nhắc kinh tế. Số liệu phân bố năng lƣợng sóng theo khu vực tại bờ biển các nƣớc hay khu vực đƣợc lấy ở những nơi có công suất năng lƣợng sóng lý thuyết P ≥ 5 kW/m ở độ cao ≤66.5º (Bảng 1.1). Tiềm năng trên lý thuyết của năng lƣợng sóng đƣợc thể hiện trong Bảng 1.1 (29,500 TWh/năm hay 106 EJ/năm) cho thấy suy giảm 8% so với tổng tiềm năng lý thuyết, không bao gồm các khu vực có tiềm năng không quá 5kW/m nhƣng vẫn đƣợc xét đến trong ƣớc tính tiềm năng lý thuyết. Tiềm năng kỹ thuật của năng lƣợng sóng thấp hơn đáng kể con số nêu trên và phụ thuộc vào những phát triển kỹ thuật của các thiết bị năng lƣợng sóng. Một nghiên cứu (Sims et al. 3 2007) ƣớc tính tiềm năng kỹ thuật toàn cầu của năng lƣợng sóng đạt 500 GW, với giả định các thiết bị năng lƣợng sóng ngoài khơi đạt hiệu suất 40% và chỉ đƣợc lắp đặt ở gần bờ với điều kiện sóng >30 kW/m, trong khi một nghiên cứu khác (Krewitt et al. 2009) ƣớc tính tiềm năng năng lƣợng sóng đạt 20 EJ/năm. Bảng 1.1: Tiềm năng năng lƣợng sóng lý thuyết theo khu vực Năng lƣợng Khu vực sóng TWh/yr (EJ/yr) Tây và Bắc Âu 2.800 (10,1) Biển Địa Trung Hải và quần đảo Atlantic (Azores, Cape Verde, 1.300 (4,7) Canaries) Bắc Mỹ và Greenland 4.000 (14,4) Trung Mỹ 1.500 (5,4) Nam Mỹ 4.600 (16,6) Châu Phi 3.500 (12,6) Châu Á 6.200 (22,3) Ôxtrâylia, Niu Di-lân và các đảo Thái Bình Dƣơng 5.600 (20,2) Tổng 29.500 (106,2) Nguồn: Mørk et al., 2010 1.1.2. Năng lƣợng thủy triều Năng lƣợng thủy triều đƣợc coi là một dạng năng lƣợng tái tạo sạch bởi vì trong quá trình chuyển hóa không gây ra các chất ô nhiễm. Đây là một dạng thủy điện khai thác năng lƣợng của thủy triều với sự trợ giúp của một máy phát điện có thể chuyển hóa năng lƣợng thủy triều thành điện năng hay các dạng năng lƣợng hữu ích khác. Thủy triều mỗi ngày dẫn vào bờ một khối lƣợng nƣớc lớn và có thể cung cấp một nguồn năng lƣợng dồi dào. Mặc dù nguồn cung năng lƣợng này ổn định và phong phú, nhƣng việc chuyển hóa thành điện năng hữu dụng lại là điều không dễ dàng. Bất lợi chủ yếu của các trạm điện thủy triều là chúng chỉ có thể sản sinh ra điện khi thủy triều dâng lên hay hạ xuống, nói theo cách khác, chỉ diễn ra 10 giờ mỗi ngày. Tuy nhiên, thủy triều hoàn toàn có thể dự đoán đƣợc, vì vậy chúng ta có thể lên kế hoạch để sử dụng điện từ các dạng nhà máy điện khác vào các thời điểm khi nhà máy điện thủy triều không hoạt động. Nƣớc biển có mật độ lớn hơn 832 lần so với không khí và có môi trƣờng không thể nén đƣợc. Vì thế, nguồn năng lƣợng mà điện thủy triều có thể cung cấp lớn hơn nhiều so với nguồn năng lƣợng mà gió cung cấp. Điều đó có nghĩa là một dòng chảy thủy triều có vận tốc 15 km/h tƣơng đƣơng với cơn gió có vận tốc 390 km/h. Mực nƣớc triều phụ thuộc vào địa điểm và nó không giống nhau ở mọi nơi. Ví dụ, thủy 4 triều không tồn tại ở biển Đen, trong khi tại biển Địa Trung Hải, mức triều thay đổi gần 30 cm. Mặt khác, khối lƣợng nƣớc di chuyển thực sự lớn tại một số nơi thuộc Đại Tây Dƣơng. Ví dụ, tại Achentina, mức triều có thể đạt đến 11m. Nhƣng mức triều thay đổi nhiều hơn ở Canada, Pháp và Anh, đây là những nơi mức triều có thể đạt đến gần 14m. Vì vậy, có những nơi việc khai thác loại hình năng lƣợng này sẽ thành công. Năng lƣợng thủy triều không phải là một khái niệm mới, nó đã đƣợc sử dụng ít nhất là từ thế kỷ 11 tại Anh và Pháp để phục vụ xay xát ngũ cốc. Năng lƣợng thủy triều đƣợc phân loại thành hai nhóm chính: - Hệ thống dòng thủy triều lợi dụng động năng sinh ra do sự chuyển động của nƣớc để quay tuabin. Phƣơng pháp này đang ngày càng trở nên phổ biến do có chi phí và tác động sinh thái thấp. - Nhóm thứ hai là các đập thuỷ triều, lợi dụng thế năng sinh ra do khác biệt về độ cao của thủy triều. Loại này không phổ biến lắm do chi phí cao và do các vấn đề môi trƣờng, vì vậy các nhà đầu tƣ không sẵn sàng đầu tƣ vào loại hình này. Mặc dù năng lƣợng thủy triều là cách khai thác năng lƣợng từ biển lâu đời nhất, loại hình năng lƣợng này không phổ biến do một số nguyên nhân nhƣ lƣợng năng lƣợng chúng ta thu đƣợc từ các nguồn hiện nay so với các chi phí môi trƣờng và kinh tế là không có lợi nhuận. Năng lƣợng thuỷ triều đƣợc dự đoán sẽ phát triển mạnh hơn trong tƣơng lai và nó có tiềm năng đƣợc sử dụng để sản xuất điện. Điều dễ nhận thấy là năng lƣợng thủy triều có khả năng dự đoán cao hơn so với các nguồn năng lƣợng khác nhƣ năng lƣợng mặt trời hay thậm chí là năng lƣợng gió, một dạng năng lƣợng có lợi thế lớn hơn các dạng năng lƣợng khác. 1.1.3. Năng lƣợng dòng chảy đại dƣơng Dòng chảy đại dƣơng là sự chuyển động của nƣớc biển. Chúng vận chuyển dọc theo đại dƣơng một khối lƣợng lớn nƣớc và năng lƣợng dƣới dạng nhiệt của nƣớc. Năng lƣợng của các dòng chảy đại dƣơng có tác động đến nhiệt độ trên hành tinh và đến các vùng khí hậu khác nhau trên thế giới. Các dòng chảy đại dƣơng xuất hiện là do gió và Mặt trời làm nóng nƣớc ở vùng gần xích đạo và do sự khác biệt về độ mặn và mật độ nƣớc. Thay vì di chuyển theo các hƣớng khác nhau, nhƣ thủy triều, các dòng chảy đại dƣơng luôn không đổi và chảy theo cùng một hƣớng. Các dòng chảy đại dƣơng luôn ở trạng thái chuyển động và chúng bị tác động bởi gió, độ mặn của nƣớc và nhiệt độ, địa hình đáy đại dƣơng và chuyển động quay của Trái đất. Các dòng chảy đại dƣơng chứa một nguồn năng lƣợng to lớn có thể khai thác và chuyển hóa thành dạng có thể sử dụng đƣợc. Theo ƣớc tính, chỉ cần khai thác 1/1000 nguồn năng lƣợng hiện tại từ Dòng nƣớc ấm Gulf Stream sẽ đáp ứng đƣợc 35% nhu cầu điện năng của cả bang Florida, Hoa Kỳ. Dòng chảy đại dƣơng là một trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo lớn nhất chƣa đƣợc sử dụng trên Trái đất. Các điều tra sơ bộ cho thấy tiềm năng năng lƣợng dòng chảy đại dƣơng toàn cầu đạt trên 450.000 MW, tƣơng đƣơng hơn 550 tỷ USD. Các dòng chảy đại dƣơng thƣờng chảy theo chiều khác nhau phụ thuộc vào vị trí của chúng. Vì thế, tại Bắc bán cầu, các dòng chảy đại dƣơng thƣờng có chiều xoắn theo chiều 5 kim đồng hồ, nhƣng chúng chuyển sang hƣớng ngƣợc chiều kim đồng hồ tại Nam bán cầu. Nguyên nhân là do hƣớng gió thổi. 1.1.4. Năng lƣợng chênh lệch nhiệt độ nƣớc biển Khoảng 15% tổng số năng lƣợng mặt trời chiếu tới đại dƣơng đƣợc lƣu lại dƣới dạng nhiệt năng, sự hấp thụ tập trung ở các lớp trên, giảm theo cấp số nhân với độ sâu do độ dẫn nhiệt của nƣớc biển thấp. Nhiệt độ trên mặt biển có thể vƣợt quá 250C ở các vùng nhiệt đới, trong khi nhiệt độ ở độ sâu 1 km dƣới bề mặt trong khoảng từ 5 đến 100C. Sự chênh lệch nhiệt độ tối thiểu 200C đƣợc cho là cần thiết để vận hành một thiết bị chuyển hóa nhiệt năng đại dƣơng (Ocean thermal energy conversion – OTEC). Các vùng ven biển Châu Phi và Ấn Độ, các vùng biển nhiệt đới phía Tây và Đông Nam Châu Mỹ và nhiều đảo vùng Caribê và Thái Bình Dƣơng có nhiệt độ trên mặt biển từ 25 đến 300C, giảm xuống còn từ 4 đến 70C ở độ sâu từ 750 đến 1.000 m. Chênh lệch nhiệt độ hàng năm giữa nƣớc bề mặt và nƣớc ở độ sâu 1.000 m tại khu vực nhiệt đới rộng lớn có tiềm năng còn lớn hơn 200C. Một số nƣớc thuộc vùng Caribê và khu vực Thái Bình Dƣơng có thể phát triển các thiết bị OTEC gần bờ. Biến đổi khí hậu có khả năng sẽ có tác động rõ rệt đến tiềm năng OTEC toàn cầu. Trong số các nguồn năng lƣợng đại dƣơng, OTEC là một trong những nguồn năng lƣợng tái tạo luôn có sẵn để sử dụng, có thể đóng góp vào nguồn cung ứng điện phụ tải cơ bản (base-load power supply) (ở đây có một sự thay đổi nhỏ từ mùa hè sang mùa đông), mặc dù so với năng lƣợng sóng và dòng thủy triều, mật độ năng lƣợng của nguồn tài nguyên này rất thấp. Tiềm năng tài nguyên đối với OTEC đƣợc cho là lớn hơn nhiều so với các dạng năng lƣợng đại dƣơng khác (World Energy Council, 2000). Dạng tài nguyên này còn đƣợc phân bố rộng rãi giữa hai vùng nhiệt đới. Một ƣớc tính lạc quan về tiềm năng toàn cầu trên lý thuyết đạt từ 30.000 đến 90.000 TW/năm (108 đến 324 EJ/năm). Theo tính toán của Nihous (2007) có thể đạt đƣợc một nguồn điện năng ổn định khoảng 44.000 TWh/năm (159 EJ/năm). Trong khi đó Pelc và Fujita (2002) ƣớc tính có thể sản xuất ra nguồn điện năng hơn 88.000 TWh/năm (318 EJ/năm) từ OTEC mà không ảnh hƣởng đến cấu trúc nhiệt của đại dƣơng. 1.1.5. Năng lƣợng chênh lệch độ mặn Sự pha trộn giữa nƣớc ngọt và nƣớc biển có thể giải phóng năng lƣợng dƣới dạng nhiệt năng. Việc khai thác thế hóa hai nguồn nƣớc này, qua một màng lọc bán thấm có thể thu đƣợc nguồn năng lƣợng do áp suất (không phải do nhiệt) sau đó có thể chuyển hóa thành các dạng năng lƣợng hữu dụng. Do nƣớc ngọt từ các dòng sông đổ vào nƣớc biển mặn đƣợc phân bố trên toàn cầu, năng lƣợng thẩm thấu có thể sinh ra và đƣợc khai thác ở tất cả các vùng có nguồn cung đủ nƣớc ngọt. Các vùng cửa sông là những nơi có tiềm năng thích hợp nhất, bởi ở gần nơi có những khối lƣợng lớn nƣớc ngọt hòa trộn vào nƣớc biển. Gần đây, tiềm năng kỹ thuật để sản xuất điện năng từ sự chênh lệch độ mặn ƣớc tính đạt 1.650 TWh/năm (6 EJ/năm) và có tiềm năng sản xuất điện phụ tải cơ bản, nếu phát triển 6 đƣợc các công nghệ hiệu quả về chi phí. 1.2. Các thách thức khi sử dụng năng lƣợng đại dƣơng Hiện tại, để đƣa năng lƣợng đại dƣơng ra thị trƣờng nhƣ một sản phẩm thƣơng mại thay thế cho sản xuất điện truyền thống cần tiến hành rất nhiều NC&PT cũng nhƣ áp dụng các biện pháp đặc biệt. Các biện pháp nhƣ vậy có thể đƣợc thực hiện dƣới hình thức ƣu đãi đặc biệt đối với các dự án trình diễn. Để đạt đƣợc mục tiêu này và có thể hạn chế các biện pháp khuyến khích theo thời gian không cần phải có các công cụ mạnh mẽ. Các hệ thống hỗ trợ nhƣ vậy cho đến nay đã đƣợc sử dụng để tái thiết khả năng cạnh tranh công bằng giữa năng lƣợng hóa thạch và năng lƣợng tái tạo. Năng lƣợng đại dƣơng hiện có thể đƣợc khai thác ở một số khu vực. Một ví dụ là các hệ thống năng lƣợng độc lập phục vụ cho các cộng đồng sống trên đảo, nơi không có nhiều lựa chọn thay thế. Việc khai thác năng lƣợng thủy triều đã đƣợc triển khai ở một số nơi dƣới dạng các trạm điện quy mô lớn. Tuy nhiên, các trạm điện đó hoạt động dựa trên việc xây đập chắn toàn bộ cửa sông và tác động đến môi trƣờng lớn đến mức không thể phát triển rộng các giải pháp nhƣ vậy. Các hệ thống năng lƣợng đại dƣơng vận hành ở môi trƣờng biển đặc biệt khắc nghiệt. Nƣớc biển mặn làm cho môi trƣờng rất dễ ăn mòn. Đồng thời, lƣợng năng lƣợng của sóng cũng nhƣ dòng thủy triều và dòng chảy đại dƣơng rất lớn, do đó các ứng suất cơ học sẽ rất lớn. Một thách thức khác là việc chuyển tải điện vào đất liền. Vấn đề này chủ yếu liên quan đến các thiết bị phát điện khai thác năng lƣợng sóng ở ngoài khơi cũng nhƣ các thiết bị đƣợc lắp đặt gần bờ khai thác dòng chảy đại dƣơng và nhiệt năng của biển. Thách thức lớn nhất là động lực học của các dây cáp cao thế kết nối các trạm biến thế với đất liền. Dây cáp cần phải chịu đƣợc cả các chuyển động đung đƣa cũng nhƣ trọng lƣợng tịnh của nó khi ở độ sâu có thể tới hơn nghìn mét. Do đó, cần phát triển các loại cáp mới. 1.2.1. Năng lƣợng sóng Tiềm năng năng lƣợng sóng lớn nhất là ở Đại Tây Dƣơng và Thái Binh Dƣơng, ở giữa vĩ độ 400 và 650. Ở khu vực này, hiệu suất năng lƣợng có thể đạt khoảng 50-100 kW/mét bề rộng đỉnh sóng. Gần đất liền, mật độ năng lƣợng giảm do sóng bị các đảo và đất liền ngăn cản. Ngoài ra, năng lƣợng bị thất thoát do ma sát với đáy biển ở các vùng nƣớc ngầm. Năng lƣợng của sóng đƣợc phân bố đều giữa thế năng (do nƣớc dâng lên đến đỉnh sóng) và động năng (do sự thay đổi tốc độ của nƣớc). Một số dự án thử nghiệm và sản xuất thử đã đƣợc vận hành từ nhiều năm nay nhƣng mới chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm. Các lĩnh vực ứng dụng Sóng biển là nguồn năng lƣợng sạch và tái tạo, đƣợc tạo thành do sự chuyển đổi của năng lƣợng gió khi gió thổi qua bề mặt biển. Năng lƣợng gió lại xuất phát từ năng lƣợng mặt trời, vì nhiệt của Mặt trời tạo ra áp suất cao và thấp. Sự vận chuyển năng lƣợng đƣợc tích tụ thông qua cả hai quá trình chuyển hóa năng lƣợng này. Ngay dƣới bề mặt nƣớc biển, sự vận chuyển năng lƣợng sóng trung bình thƣờng mạnh gấp 5 lần so với vận chuyển năng lƣợng gió ở 20m trên mặt nƣớc và mạnh gấp 10-30 lần so với cƣờng độ bức xạ mặt trời. 7 Giá trị vận chuyển năng lƣợng sóng trung bình thay đổi với một mức độ nhất định từ năm này sang năm khác. Giá trị này thay đổi mạnh giữa các mùa. Mức năng lƣợng sóng (và năng lƣợng gió) vào mùa đông lớn hơn so với mùa hè. Vì vẫn có thể có sóng (sóng cồn) ngay cả khi gió lặng, năng lƣợng sóng ổn định hơn năng lƣợng gió. Thông thƣờng, năng lƣợng sóng phải đƣợc khai thác bên ngoài cơ sở hạ tầng đã đƣợc thiết lập. Các thiết bị năng lƣợng sóng có thể đƣợc thiết lập ngoài khơi, gần bờ hoặc trên đất liền. Các thiết bị điện ở ngoài khơi cho đến nay có tiềm năng năng lƣợng lớn nhất và ít bị các nhà môi trƣờng phản đối nhất. Tuy nhiên, các thiết bị này đòi hỏi đầu tƣ lớn về cáp và các thiết bị để kết nối với lƣới điện trên đất liền. Việc mở rộng quy mô hệ thống có thể làm giảm các chi phí liên quan đến kết nối với lƣới điện đến mức có thể chấp nhận đƣợc. Các thiết bị gần bờ biển có thể phá vỡ cảnh quan và giao thông ven biển có thể làm hạn chế việc sử dụng khu vực này. Hơn nữa, mật độ năng lƣợng của sóng gần bờ nhỏ hơn so với ở ngoài khơi xa. Tuy nhiên, chi phí đầu tƣ cho các thiết bị ở gần bờ lại thấp hơn chi phí cho các thiết bị ở ngoài khơi xa và việc tiếp cận để vận hành và bảo dƣỡng đơn giản hơn. Năng lƣợng sóng cần đƣợc chuyển hóa thành năng lƣợng trong hệ thống dao động tƣơng tác với sóng. Hệ thống dao động này có thể là một cột nƣớc dao động trong một buồng tĩnh hoặc chất lỏng. Năng lƣợng này cũng cần đƣợc chuyển hóa thành năng lƣợng cơ học hữu ích với sự hỗ trợ của các tuabin hoặc động cơ khí nén hoặc thủy lực. Cuối cùng, năng lƣợng này đƣợc chuyển hóa thành điện năng bằng một máy phát. Một phƣơng pháp khai thác năng lƣợng sóng đơn giản và phổ biến là Cột Nƣớc Dao động (Oscillating Water Column-OWC). Công nghệ này thƣờng đƣợc sử dụng trong các thiết bị ở trên đất liền. Nhờ sự thay đổi liên tục của mực chất lỏng, sóng tạo ra áp suất không khí thay đổi trong buồng, làm chạy tuabin khí. Khi nƣớc trong buồng dâng lên, sẽ tạo ra quá áp. Khi nƣớc hạ xuống, tạo ra chân không. Những sự biến đổi áp suất này tạo ra các dòng khí vào và ra buồng. Tuabin Wells phù hợp để sử dụng dòng khí này vì tuabin quay theo một hƣớng bất kể hƣớng của dòng khí nhƣ thế nào. Một phƣơng án khác ngày càng phổ biến hơn là thiết bị hấp thu năng lƣợng sóng dạng thiết bị hấp thu điểm (point absorber). Thiết bị nổi hoặc chìm dƣới bề mặt đại dƣơng và đƣợc neo vào đáy đại dƣơng. Một máy bơm đƣợc gắn vào dây neo và sự di chuyển của sóng làm chạy máy bơm. Thiết bị lai có thể bơm nƣớc biển vào bồn cao áp hoặc bồn chứa ở trên cao trên bờ biển. Một tổ hợp thiết bị (tuabin và máy phát) có thể sản xuất điện bằng cách dẫn nƣớc trở lại biển. 1.2.2. Năng lƣợng thủy triều Chênh lệch thủy triều là do lực hút của Mặt trời và Mặt trăng đối với Trái đất. Trong thời gian chênh lệch thủy triều, mực nƣớc biển sẽ dâng lên hoặc hạ xuống tùy thuộc vào vị trí của Trái đất đối diện với Mặt trăng. Hiện tƣợng này tạo ra sóng. Vì Trái đất quay, các sóng này di chuyển về phía Tây với độ cao của sóng chƣa đến 1m và trong thời gian 12 giờ 25 phút, là thời gian giữa triều cao và triều thấp. Các giai đoạn Mặt trời và Mặt trăng dẫn đến 8 các chu kỳ 14 ngày có độ chênh lệch thủy triều cực đại và cực tiểu. Các điều kiện địa hình làm cho độ chênh lệch thủy triều lớn hơn hoặc nhỏ hơn độ cao sóng 1m. Ngoài ra, những biến đổi áp suất cao và áp suất thấp cùng với ảnh hƣởng của hƣớng gió cũng có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể độ chênh lệch của thủy triều. Tiềm năng năng lƣợng thủy triều của thế giới đƣợc Cơ quan Năng lƣợng quốc tế (IEA) ƣớc tính là 200 TWh/năm, trong khi Hãng Hammerfest Strøm của Na Uy cho rằng tiềm năng năng lƣợng thủy triều của thế giới là 450 TWh/năm. Tuy nhiên, các chuyên gia của Canada tin rằng có thể khai thác đến 3.000 TWh/năm dọc theo các bờ biển trên thế giới. Các lĩnh vực ứng dụng Mặc dù thực tế là nƣớc thủy triều ít khi đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn năng lƣợng nhƣng cho đến nay một số nhà máy điện lớn đã đƣợc xây dựng. Nhà máy điện lớn nhất và quan trọng nhất là nhà máy điện ở cửa sông Ranh, miền Bắc nƣớc Pháp. Nhà máy này đƣợc hoàn thành năm 1966 dựa trên một con đập đá dài 330m, với 24 tuabin, mỗi tuabin công suất 10MW, đƣợc lắp đặt ngay trong con đập này. Nhà máy điện Rance thực tế là nhà máy điện bơm tích nƣớc (pumped-storage power plant) có thể giữ nƣớc lại khi triều cao và thấp và sản xuất điện với giá tốt nhất khi triều thấp. Tuy nhiên, nhà máy điện này có tác động lớn đến môi trƣờng vì nó ngăn lại một lƣợng lớn nƣớc, trầm tích và các vật liệu khác. Hậu quả của tác động này là rất ít ―nhà máy điện rào chắn‖ (barrier-power plants) nhƣ vậy sẽ đƣợc xây dựng trong tƣơng lai. Cả quy mô vật chất lẫn hiệu suất của tuabin thủy triều còn có các hạn chế khác so với tuabin gió. Các dòng chảy đại dƣơng có những vùng nƣớc xoáy có thể làm hỏng các tuabin lớn vì năng lƣợng sử dụng trên mỗi cánh tuabin khác nhau. Do lực ùa tới của nƣớc mạnh, các rô-to của tuabin thủy triều phải chịu đƣợc tải trọng lớn hơn tuabin gió. Công suất của tuabin thủy triều không chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng của triều cƣờng, mà độ sâu của đầu vào cũng đóng một vai trò quan trọng. Các cánh của rô-to phải đƣợc lắp ở độ sâu đủ để không va chạm với các phƣơng tiện giao thông trên mặt nƣớc. Tốc độ rô-to có thể lên tới 20 vòng/phút, tức là khoảng 3 giây một vòng quay. Điều này cho phép tốc độ trên đỉnh của cánh rô-to đạt khoảng 80km/giờ. Đây là mối nguy hiểm không chỉ cho giao thông trên mặt nƣớc, mà sinh vật biển, nhƣ cá và các loài động vật thân mềm cũng dễ bị tổn thƣơng. Tuy nhiên, cho đến nay chƣa có báo cáo nào về tác động có hại đến sinh vật biển sau nhiều năm vận hành thử nghiệm nhà máy điện thủy triều Kvalsundet của Na Uy. Tuabin thí điểm trong nhà máy Kvalsundet sản xuất điện hầu nhƣ liên tục trong nhiều năm và quá trình sản xuất chỉ bị gián đoạn để làm sạch các cánh quạt. 1.2.3. Năng lƣợng chênh lệch độ mặn Năng lƣợng chênh lệch độ mặn dựa trên hiện tƣợng hóa học là các dung dịch muối thu hút nƣớc ngọt ở môi trƣờng xung quanh chúng. Quá trình này gọi là năng lƣợng thẩm thấu. Mặc dù hiện tƣợng này đã đƣợc biết đến từ hàng trăm năm nay và tiềm năng ở các cửa sông và biển trên thế giới là lớn, nhƣng hầu nhƣ không có phát triển công nghệ nào cho nguồn năng lƣợng này. Tiềm năng năng lƣợng này tỷ lệ thuận với độ chênh lệch độ mặn của nƣớc biển và nƣớc ngọt. Theo lý thuyết, mỗi mét khối nƣớc ngọt chảy ra biển có thể tạo ra 0,7 9 kWh điện. Hiện đã có một số công nghệ khai thác năng lƣợng từ sự chênh lệch độ mặn. Thẩm thấu điều áp chậm (Pressure retarded osmosis-PRO) dựa trên cơ sở thiết lập một bồn chứa nƣớc ngọt và một bồn chứa nƣớc mặn ở cửa sông, nơi có một màng bán thấm ngăn cách hai bồn chứa này. Màng này ngăn nƣớc mặn không hòa lẫn vào nƣớc ngọt, tuy nhiên lại để cho nƣớc ngọt đi vào bồn nƣớc mặn. Chênh lệch độ mặn sẽ làm cho cột nƣớc ở bồn chứa nƣớc mặn cao lên. Cột nƣớc này có thể đƣợc khai thác bằng cách xả nƣớc qua tuabin, giống nhƣ một nhà máy thủy điện thông thƣờng. Năm 2006, chƣa có màng bán thấm nào có hiệu suất, độ bền và tuổi thọ cao để có thể thử nghiệm thí điểm. Tuy nhiên, nhiều tổ chức đã triển khai các mô hình thử nghiệm và khẳng định lý thuyết này áp dụng đƣợc trong thực tiễn. Thiết bị năng lƣợng dựa trên nồng độ muối trong nƣớc linh hoạt xét về khả năng định vị và thiết kế hình dạng. Các thiết bị xử lý có kích thƣớc hạn chế, có thể đƣợc điều chỉnh phù hợp với môi trƣờng địa phƣơng và đƣợc lắp đặt trong đá hoặc dƣới nền đất. Chi phí đầu tƣ có thể đƣợc giảm thiểu bằng cách kết hợp các nhà máy xử lý với các trạm điện và các cơ sở hạ tầng khác hiện có. 1.2.4. Năng lƣợng chênh lệch nhiệt độ của nƣớc biển Mặt trời làm nƣớc biển nóng lên và năng lƣợng này tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng nƣớc ở độ sâu khác nhau. Ở các vùng nƣớc nhiệt đới và cận nhiệt đới, nhiệt độ gần bề mặt nƣớc có thể cao hơn 20-250C so với nhiệt độ của nƣớc ở độ sâu 1.000m. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể đƣợc sử dụng để sản xuất điện. Để đạt hiệu quả chấp nhận đƣợc, cần có độ chênh lệch nhiệt độ 200C hoặc lớn hơn trong vòng một năm. Các điều kiện này tồn tại ở các khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới. Khả năng làm nóng nƣớc cao và khối lƣợng nƣớc khổng lồ làm cho năng lƣợng nhiệt năng đại dƣơng có tiềm năng rất to lớn về mặt lý thuyết. Tuy nhiên, độ chênh lệch nhiệt độ quá nhỏ làm cho hiệu xuất sản xuất điện thấp. Khai thác năng lƣợng nhiệt năng đại dƣơng còn một khoảng thời gian dài mới đạt đến bƣớc đột phá để có thể thƣơng mại và có thể sẽ còn lâu mới đến lúc chúng ta có thể thấy các dự án sinh lợi. 1.3. Các tác động đối với môi trƣờng và xã hội Hơn hai phần ba diện tích bề mặt Trái đất đƣợc bao phủ bởi đại dƣơng, điều đó cung cấp một tiềm năng năng lƣợng to lớn cùng với các sản phẩm quan trọng khác cho các thị trƣờng ven biển. Cũng giống nhƣ các dạng năng lƣợng tái tạo khác, năng lƣợng đại dƣơng mang lại một phƣơng án đáng cân nhắc để khắc phục biến đổi khí hậu và an ninh cung ứng năng lƣợng. Những ích lợi hữu hình bao gồm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, cung cấp nguồn năng lƣợng liên tục với giá cả chấp nhận đƣợc, ổn định giá lâu dài, tránh các rủi ro hiđrocacbon và khan hiếm tài nguyên, an toàn môi trƣờng. Một số dạng năng lƣợng đại dƣơng sẽ mang đến những sản phẩm và dịch vụ thay thế nhƣ: nƣớc uống, sƣởi ấm, làm mát và nhiên liệu sinh học, có thể đặc biệt thích hợp với các cộng đồng sống xa lƣới điện tại các 10