Công nghệ vũ trụ và nền kinh tế xanh: sự tích hợp quan trọng cho một hành tinh xanh hơn
Trên toàn thế giới, từ năm 1971 đến năm 2018, tổng nguồn cung năng lượng thế giới đã tăng 2,6 lần, trong đó nhiên liệu hóa thạch vào cuối thời kỳ vẫn chiếm hơn 81% tổng sản lượng năng lượng. Với sự số hóa ngày càng tăng của thế giới hiện đại và các mục tiêu khử cacbon mà hầu hết các quốc gia đang áp dụng để thách thức biến đổi khí hậu, sự chú ý của người dân và các chính trị gia đang chuyển nhanh sang năng lượng tái tạo. Vào năm 2019, lượng bổ sung ròng hàng năm cho năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời và gió, đã vượt mức lắp đặt nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân năm thứ năm liên tiếp.
Năng lượng đại dương
Mặc dù thể hiện một tiềm năng to lớn, công nghệ năng lượng đại dương nhìn chung vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Đây là lý do tại sao nó chỉ chiếm một phần nhỏ trong năng lượng tái tạo, với tổng công suất lắp đặt ước tính là 535 MW trên toàn thế giới. Con số này không đáng kể so với tổng công suất tái tạo được lắp đặt là 2.600 GW.
Đập thủy triều và dòng thủy triều, năng lượng sóng, độ mặn và độ dốc nhiệt độ là những dạng năng lượng chính của đại dương. Công nghệ đập thủy triều chiếm phần lớn công suất lắp đặt, với gần 520 MW tổng năng lượng đại dương. Khi nói đến phân bổ theo địa lý, 55% công suất này là ở Châu Âu, 28% ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương, 13% ở Trung Đông và Đông Á, với Bắc Mỹ chỉ chiếm 2%. Trên toàn thế giới, triển vọng trong những thập kỷ tới là tổng công suất lắp đặt sẽ tăng mạnh, với 10 GW dự kiến vào năm 2030 và 100 GW vào năm 2050.
Hầu hết các công nghệ vẫn đang trong giai đoạn nguyên mẫu, vì vậy vẫn còn rất nhiều đổi mới và nghiên cứu đang được tiến hành.
Tình hình ở Châu Âu
Châu Âu là quốc gia tiên phong trong việc phát triển công nghệ năng lượng đại dương và hiện là quốc gia dẫn đầu trên toàn thế giới cả về công suất lắp đặt và sản xuất. Trong 2-3 năm qua, công nghệ năng lượng đại dương đã trở thành một trụ cột chiến lược trong quá trình chuyển đổi hướng tới nền kinh tế trung hòa carbon vào năm 2050: mục tiêu là sản xuất 1 GW năng lượng biển vào năm 2030 và 40 GW vào năm 2050.
Ủy ban châu Âu đang hướng tới năng lượng đại dương vì nó có thể giúp quá trình khử cacbon của lục địa và khả năng cạnh tranh của Liên minh châu Âu. Có rất nhiều sự hỗ trợ ở cấp độ EU và rất nhiều công việc đã được thực hiện trong những năm qua để duy trì vai trò lãnh đạo, nhờ vào các khoản đầu tư khổng lồ của các tổ chức công và tư nhân. Vẫn còn một chặng đường dài để đạt được các mục tiêu giảm chi phí và đưa công nghệ từ trạng thái tiền thương mại sang thương mại hóa hoàn toàn trong 10 năm tới.
Công nghệ năng lượng đại dương
1. Năng lượng thủy triều
Sự khác biệt được thực hiện giữa công nghệ đập thủy triều và công nghệ dòng chảy thủy triều. Đập thủy triều tận dụng sự chênh lệch độ cao giữa thủy triều cao và thủy triều thấp để khai thác tiềm năng, trong khi dòng chảy thủy triều sử dụng dòng chảy thủy triều. Công nghệ này đang ở giai đoạn tiên tiến hơn so với các dạng năng lượng đại dương khác và có một con đường rõ ràng để giảm chi phí. Trong vòng 4-5 năm qua, chi phí giảm nhanh hơn nhiều so với dự kiến.
Năm 2019, công suất dòng chảy thủy triều ở châu Âu đạt 27,7 MW, gấp 4 lần so với phần còn lại của thế giới, trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất ở Anh, Pháp và Hà Lan. Dự án năng lượng thủy triều ước tính có tổng cộng 4,6 GW đang được phát triển và có thể được triển khai vào cuối năm 2027 ở Châu Âu.
2. Năng lượng sóng
Vì công nghệ đang ở giai đoạn nguyên mẫu, nên trọng tâm vẫn là R&D. Ước tính có khoảng 1,5 MW công nghệ sóng hiện đang hoạt động ở châu Âu, với 10,3 MW khác sẽ được triển khai trong tương lai gần khi hoàn thành thành công các chương trình thử nghiệm. Anh, Thụy Điển, Đan Mạch, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha là những quốc gia có công suất lắp đặt cao nhất.
3. Các nguồn khác
Các công nghệ chuyển đổi nhiệt năng, gradient độ mặn và dòng chảy đại dương vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, với nhiều rào cản cần vượt qua. Tuy nhiên, chúng dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2030.
Không gian cho năng lượng đại dương
Trong khi đại dương cung cấp một tiềm năng to lớn để sản xuất năng lượng, có những rào cản quan trọng cần phải vượt qua để thực hiện điều này một cách bền vững và kịp thời. Hai thách thức chính mà ngành phải đối mặt là chi phí vòng đời của năng lượng được sản xuất, được gọi là Chi phí năng lượng được bình đẳng hóa (LCOE), và tác động đến các hệ sinh thái biển. Có một số cách mà công nghệ vũ trụ có thể giúp lĩnh vực này giải quyết cả hai thách thức.
1. Xác định và mô tả tính phù hợp của các địa điểm trong quá trình phát triển dự án
Các quy trình phát triển dự án thường tìm cách định lượng, ở mức độ chính xác ngày càng cao, tiềm năng tạo ra năng lượng và chi phí phát triển của một địa điểm. Quá trình điều tra và thiết kế này được tiến hành song song với quá trình xác định và quản lý rủi ro phát triển. Dữ liệu không gian địa lý là trọng tâm của các quá trình này. Việc sử dụng dữ liệu vệ tinh hiệu quả hơn có thể có khả năng làm giảm hoặc cung cấp thông tin cho các yêu cầu thu thập dữ liệu tại chỗ, giảm chi phí phát triển tổng thể và hỗ trợ các nỗ lực quản lý rủi ro.
Ví dụ, các sản phẩm dữ liệu thu được từ dữ liệu Vệ tinh Copernicus, chẳng hạn như khí hậu gió và sóng, có thể được sử dụng cho các đánh giá khu vực quy mô lớn hoặc để thực hiện phân tích so sánh các địa điểm trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển. Bộ dữ liệu chất lượng khí hậu dài hạn như sản phẩm ESA CCI (Sáng kiến Biến đổi Khí hậu) có thể được sử dụng để hiểu các rủi ro khí hậu trong khu vực bao gồm nước biển dâng và trạng thái biển.
Tất cả các dự án hàng hải đều bao gồm các yếu tố trên đất liền, chẳng hạn như định tuyến cáp và đổ bộ, cũng như các yêu cầu về xây dựng và hỗ trợ vận hành. Dữ liệu Quan sát Trái đất cho phép đánh giá từ xa nhanh chóng các đặc điểm đường bờ biển và tốc độ thay đổi trong lịch sử, đồng thời có thể được sử dụng để lập bản đồ, chẳng hạn như các vùng triều có thể gây khó khăn hoặc tốn kém để khảo sát bằng các phương pháp truyền thống. Tại đây, dữ liệu quang học và radar được kết hợp với các bản ghi đo thủy triều hoặc dữ liệu thủy triều được mô hình hóa và cung cấp cho người dùng thông qua các dịch vụ web hoặc các nền tảng khác.
Khi các dự án tiến triển đến các đánh giá chi tiết hơn liên quan đến mô hình thủy động lực học và thu thập dữ liệu tại chỗ, dữ liệu vệ tinh có thể được sử dụng để xác nhận các mô hình, do đó giảm độ không đảm bảo và sử dụng các kỹ thuật mới nổi như đo phản xạ đo độ thấp GNSS (GNSS-IR), có khả năng làm giảm đáng kể khối lượng dữ liệu tại chỗ đắt tiền được yêu cầu.
2. Cung cấp dữ liệu không gian địa lý để cung cấp thông tin cho các nghiên cứu tác động môi trường
Các quy trình quản lý để quản lý sự phát triển đòi hỏi phải phân tích sâu rộng về tình trạng môi trường của một địa điểm. Quan sát Trái đất cung cấp dữ liệu có thể được sử dụng trong phân tích sơ đồ về một loạt các thông số có thể quan sát được, bao gồm, ví dụ, các khía cạnh của chất lượng nước, nhiệt độ bề mặt biển và dòng chảy bề mặt. Ở những vùng nước nông với độ trong của nước tốt, dữ liệu vệ tinh quang học có thể được sử dụng để lập bản đồ độ sâu và môi trường sống của sinh vật đáy một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. Hiểu rõ hơn về các địa điểm phát triển ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển giúp cải thiện việc ra quyết định và giúp đảm bảo việc thu thập dữ liệu được tập trung cao độ và do đó tiết kiệm chi phí.
3. Hỗ trợ các hoạt động lắp đặt, vận hành và ngừng hoạt động
Đối với các lĩnh vực năng lượng sóng và dòng chảy thủy triều, các dự án thường nằm trong môi trường năng lượng cao, điều này làm tăng thêm độ phức tạp và rủi ro trong vận hành. Hiểu biết chi tiết về các cửa sổ thời tiết cho các hoạt động cụ thể (ví dụ như trong công việc bảo trì theo kế hoạch hoặc ngoài kế hoạch) là đầu vào quan trọng cho các hoạt động an toàn và hiệu quả về chi phí.
Dữ liệu vệ tinh có thể được sử dụng để điều khiển hoặc 'buộc' các mô hình thủy động lực học có độ phân giải cao, để giúp đánh giá hiệu quả hoạt động và hiệu suất thông qua mô tả liên tục của các nguồn tài nguyên và có thể được sử dụng để giám sát từ xa, chẳng hạn như sử dụng GNSS-IR, địa phương của trạng thái biển đến địa điểm dự án trước khi rời văn phòng. Điều này có thể làm giảm chi phí liên quan đến việc huy động tàu thuyền và con người thực hiện các hoạt động trong điều kiện biên.
Christine Sams từ Trung tâm Hải dương học Quốc gia có trụ sở tại Vương quốc Anh (NOC, Southampton), thông qua Sáng kiến Khu vực Đại Tây Dương về Quan sát Trái đất của ESA, đang làm việc với Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu (EMEC, Orkney, Scotland, Vương quốc Anh), một trong những Thử nghiệm Năng lượng Tái tạo Biển hàng đầu thế giới Các trung tâm, để phát triển các ứng dụng vũ trụ sáng tạo trong khi hỗ trợ lĩnh vực thu nhận dữ liệu vệ tinh. Sự hợp tác ban đầu tập trung vào thách thức cải thiện đặc điểm trạng thái biển trong môi trường năng lượng cao.
