Năng lượng gió trên không cuối cùng đã sẵn sàng để cất cánh

Năng lượng gió trên không cuối cùng đã sẵn sàng để cất cánh

    Năng lượng gió trên không cuối cùng đã sẵn sàng để cất cánh
    Sau 15 năm phát triển khái niệm thử và sai, năng lượng gió trong không khí cuối cùng có vẻ sẽ ổn định ở vị trí của nó trên bảng không.

    “[Năng lượng] gió trong không khí có tiềm năng to lớn để đẩy nhanh cuộc cách mạng năng lượng sạch,” Jamaal Bowman (D-NY), khi đó là Chủ tịch Tiểu ban Năng lượng của Hạ viện Hoa Kỳ, tuyên bố vào đầu tháng 12.

    Mặc dù ngày nay không có nhiều đảng viên Đảng Dân chủ và Đảng Cộng hòa đồng ý, nhưng có vẻ như cách tiếp cận mới lạ này để tạo ra năng lượng tái tạo là một vấn đề có thể chấp nhận được. Bowman đã được hỗ trợ bởi thành viên xếp hạng Randy Weber (R-TX) trong việc giới thiệu Đạo luật nghiên cứu và phát triển năng lượng gió trong không khí lưỡng đảng, một dự luật thành lập chương trình nghiên cứu và phát triển tại Bộ năng lượng để khám phá tiềm năng của công nghệ sạch mới thú vị này.

    Bowman kết luận: “Tiếp cận những cơn gió mạnh hơn, ổn định hơn ở độ cao lớn hơn sẽ giúp củng cố lưới điện khi chúng ta chuyển sang năng lượng tái tạo, đồng thời giảm tác động từ việc sử dụng đất và khai thác tài nguyên”.


    Trên thực tế, nhiều công ty trên toàn cầu đã và đang phát triển những con diều và tàu lượn lớn có thể thu năng lượng gió cách mặt đất ở độ cao nửa dặm, nhưng trong khi vẫn đang trong giai đoạn phát triển sơ khai, công nghệ này đã nổi tiếng hơn một thập kỷ nay . Vì vậy, liệu nó có thực sự có tiềm năng đóng góp vào quá trình chuyển đổi năng lượng hay nó chỉ là một sự phân tâm phô trương đối với công việc khó khăn là mở rộng quy mô năng lượng tái tạo hiện có?

    Thổi trong gió
    Năng lượng gió trong không khí (AWE) là biệt danh được đặt cho nhiều loại thiết bị bay tự động khai thác năng lượng gió ở trên cao trong không trung, cao hơn nhiều so với độ cao mà tua-bin gió truyền thống có thể đạt tới. Cristina Archer, giám đốc Trung tâm nghiên cứu về gió tại Đại học Delaware, Hoa Kỳ, giải thích: “Càng lên cao, càng có nhiều gió.

    Một hệ thống điều khiển điều khiển diều hoặc tàu lượn để nó bay ổn định trong gió. Các lực khí động học do thiết bị tạo ra được khai thác để giữ cho thiết bị (và dây buộc) ở trên không và tạo ra năng lượng. Lorenzo Fagiano, kỹ sư tại Đại học Bách khoa Milan, Ý, và là thành viên hội đồng quản trị của hiệp hội công nghiệp Airborne, cho biết: “Điều này về cơ bản khác với tua-bin gió, trong đó tất cả các lực khí động học ngoại trừ lực tạo ra mô-men xoắn đều được đối trọng bởi tháp”. Gió Châu Âu.

    Ngày nay, có ba thiết kế năng lượng gió trên không chính: bơm AWE, kéo AWE và xoay mạng lưới diều. Để bơm AWE – như được sử dụng bởi Kitemill của Na Uy, Twingtech của Thụy Sĩ, SkySails của Đức và Kitenergy ở Ý – dây buộc được quay quanh một tời ở mặt đất và tời được liên kết với một máy điện. Công suất được tạo ra trong một chu kỳ bao gồm giai đoạn kéo (khi diều kéo dây buộc, sau đó cuộn dây ra, trong khi máy điện hoạt động như một máy phát điện do tời điều khiển) và giai đoạn rút lại (khi diều tác dụng một lực nhỏ và máy điện được sử dụng làm động cơ để cuộn dây buộc lại quanh tời).

    Để kéo AWE – như được sử dụng bởi kiteKRAFT của Đức – con diều cứng và chứa các tua-bin trên tàu cùng với máy phát điện và thiết bị điện tử công suất. Con diều được cuộn ra một lần và bay các mẫu (vòng hoặc hình số tám) theo chiều gió ngược và các tua-bin trên tàu chuyển đổi năng lượng gió và truyền nó xuống dây cáp tới trạm mặt đất.

    Trong các mạng lưới diều quay, có một con diều mềm cố định giữ cho cấu trúc dây buộc và cánh máy bay ở trên không. Các cánh máy bay quay quanh một trục chung nhờ gió và thiết kế của mạng dây buộc. Trên mặt đất, các dây buộc được liên kết với một máy phát điện và làm cho nó quay, do đó tạo ra năng lượng.

    Mặc dù mỗi thiết kế đều có những ưu điểm và nhược điểm, nhưng thiết kế duy nhất hiện đang được triển khai thương mại là hệ thống bơm AWE do SkySails thiết lập ngoài khơi bờ biển phía đông Mauritius vào năm 2021. Cánh diều thu hoạch có gió ở độ cao 300m, cung cấp khoảng 100kW điện – gần đủ để cung cấp năng lượng 50 căn nhà. Fagiano cho biết thêm: “Các khối xây dựng để mở rộng quy mô lên tới 500kW và 1MW đã có sẵn hoặc sẽ có trong vài năm nữa nếu có đủ kinh phí.

    Một vai trò bổ sung cho năng lượng gió trong không khí
    Theo một sách trắng gần đây của BVG Associates, thay mặt cho Airborne Wind Europe, AWE cho phép tăng cường sản xuất năng lượng trên mỗi km vuông, với cường độ carbon thấp hơn so với các năng lượng tái tạo khác – và cuối cùng là với chi phí thấp hơn. Các ưu điểm khác bao gồm tác động môi trường và sử dụng vật liệu nhỏ hơn, giảm chi phí trả trước và yêu cầu hậu cần, sử dụng không gian hiệu quả và khả năng tái sử dụng nền móng từ các trang trại gió đã ngừng hoạt động.

    Khi được triển khai trong đất liền, hệ thống dễ dàng vận chuyển và lắp đặt – lắp vào một vài xe tải. Nó có thấp hơn 

    tác động trực quan hơn so với tua-bin gió truyền thống và không bay nếu không có gió. Ở nước ngoài, các hệ thống AWE sẽ ít tốn kém hơn và khả thi hơn ở các địa điểm xa bờ hơn so với các hệ thống truyền thống của chúng. Fagiano cho biết: “Những tính năng này làm cho AWES [hệ thống năng lượng gió trên không] cực kỳ hứa hẹn và ban đầu bổ sung hoàn toàn cho gió thông thường, nghĩa là nó có thể mở rộng số lượng địa điểm có thể thu hoạch năng lượng gió,” Fagiano nói.

    Thật vậy, có nhiều địa điểm trên Trái đất có nhiều gió ở độ cao 500m nhưng ít gió ở độ cao 100m hoặc thấp hơn tầm với của tuabin gió truyền thống. Archer nói: “Nếu bạn nhìn vào bản đồ, bạn có thể thấy rằng 20% diện tích đất khả thi cho năng lượng gió ở độ cao 100m, nhưng 40% là khả thi ở độ cao 500m. “Vì vậy, về cơ bản, bạn đang nhân đôi tài nguyên.”

    Các ước tính cũng chỉ ra rằng AWE có thể có chi phí thấp hơn đáng kể so với các nguồn hóa thạch và tái tạo khác vào khoảng năm 2035–40 nếu có đủ đầu tư, Fagiano cho biết thêm. BVG kết luận rằng, đến năm 2050, AWE sẽ có chi phí năng lượng quy dẫn thấp hơn 40%, hoặc LCOE (số liệu thường được sử dụng để so sánh chi phí của các công nghệ năng lượng khác nhau) so với gió truyền thống, vì chi phí vật liệu đã rẻ hơn 70%. AWE dễ cài đặt hơn nhiều và nó chia sẻ sức mạnh tổng hợp phát triển với các công nghệ quan trọng khác của tương lai như máy bay không người lái và máy bay không người lái. Archer nói: “Bạn có thể thiết lập một hệ thống AWE chỉ với 20.000 đô la.

    Trên thực tế, AWE có thể sẽ bổ sung thay vì cạnh tranh với năng lượng tái tạo truyền thống, vì không gian rộng lớn cần thiết cho mỗi thiết bị sẽ hạn chế lượng điện năng mà chúng có thể tạo ra ở quy mô tiện ích. Thay vào đó, chúng sẽ được sử dụng tốt nhất ở những địa điểm xa xôi, nơi việc thiết lập các công nghệ năng lượng tái tạo khác là không thực tế. Archer nói: “Ví dụ, ở nhiều địa điểm miền núi, việc vận chuyển hoặc xây dựng một trang trại năng lượng mặt trời hoặc gió là không khả thi. “Với điều này, bạn có thể nhanh chóng vận chuyển trong một hệ thống, thả diều lên và bắt đầu tạo ra điện theo yêu cầu – so với việc sử dụng máy phát điện chạy bằng dầu diesel. Đó là lý do tại sao quân đội rất quan tâm.”

    AWE cũng có thể đóng một vai trò trong việc tạo ra nhiên liệu xanh như hydro và amoniac. Archer nói: “Bạn có thể xây dựng một nền tảng ngoài khơi với các thiết bị điện phân và AWE, đồng thời thực sự tạo ra hydro hoàn toàn ngoài khơi.

    phức tạp vốn có
    Tuy nhiên, không có gì rẻ và có – như với tất cả các công nghệ năng lượng sạch mang tính đột phá – có những hạn chế và thách thức đối với AWE. Khái niệm này vốn đã phức tạp hơn gió truyền thống và thực tế là hệ thống được giữ trong không khí nhờ chính gió đã khiến việc thử nghiệm và tối ưu hóa các thiết kế khác nhau trở nên khó khăn hơn, vì một lỗi thiết kế nhỏ có thể tạo ra sự khác biệt giữa một con diều có thể bay ổn định và một thứ không thể ở trên không. Đó là lý do tại sao phải mất quá lâu để công nghệ này nở rộ.

    Fagiano cho biết: “Trong 15 năm qua, các khái niệm khác nhau đã được phát triển song song bởi nhiều nhóm và viện nghiên cứu khác nhau, và phải mất thời gian để hiểu đầy đủ về sự cân bằng trong thiết kế và tìm ra phương pháp kỹ thuật phù hợp.

    Google đã mua lại một dự án AWE vào năm 2013, do Makani Technologies đứng đầu. Nó đã thực hiện một số chuyến bay thử nghiệm nhưng không thể khiến tính kinh tế hoạt động hiệu quả và phải đóng cửa dự án vào năm 2020. “Google đã áp dụng chiến lược nâng cấp quy mô 'moonshot' càng sớm càng tốt,” Fagiano nhớ lại. “Sự phức tạp của hệ thống và thực tế là đây là lần đầu tiên khiến nó trở thành một nỗ lực rất khó khăn. Khi các nhà phát triển phát hiện ra các lỗi thiết kế khác nhau, nó đã quá đắt và quá muộn để sửa chữa.”

    Thậm chí ngày nay, vẫn còn một số rào cản quan trọng cản trở sự phát triển của ngành. Một là tốn thời gian như thế nào để có được tất cả các giấy phép cài đặt và vận hành hệ thống AWE, vì không có quy tắc và tiêu chuẩn được thiết lập. “Đó là vấn đề con gà và quả trứng: miễn là không có nhiều hệ thống xung quanh, chính quyền không có động lực để thiết lập các quy định; và miễn là không có các quy định được thiết lập, thời gian phát triển sẽ chậm hơn và các khoản đầu tư sẽ khó kích hoạt hơn,” Fagiano giải thích.

    Cuối cùng là tiền – hoặc thiếu tiền. Fagiano chỉ ra rằng các khoản đầu tư vào AWE trong 15 năm qua không đáng kể so với các công nghệ khác. “Đây không phải là công nghệ có thể sinh lãi sau hai năm; nó đòi hỏi sự hỗ trợ liên tục với phương pháp tiếp cận từng giai đoạn [một kỹ thuật quản lý dự án trong đó dự án được chia thành các giai đoạn riêng biệt, được phân tách bằng các điểm quyết định], như khuyến nghị trong nghiên cứu ngành gần đây do Ủy ban Châu Âu ủy quyền,” ông nói.

    Năng lượng gió trong không khí: “Một mảnh nhỏ khác trong câu đố”
    Ngày nay, toàn bộ thị trường AWE chỉ được định giá vài tỷ đô la; nhưng, khi tạo ra quy mô tiện ích, thị trường có thể tăng lên khoảng 100 tỷ đô la (92,39 tỷ euro) vào năm 2035–40 và vài trăm tỷ ngay sau đó, Fagiano dự báo. Ông nói: “Sự phát triển của công nghệ đang thực sự tăng tốc khi hầu hết các công ty đã nắm bắt được những khía cạnh quan trọng nhất.

    Thật vậy, dựa trên dự báo doanh thu của các công ty hàng đầu 

    Các nhà phát triển công nghệ AWE và giả định rằng thị trường AWE đi theo xu hướng tương tự như thị trường tuabin gió đã hình thành cách đây 40 năm, BVG ước tính tổng công suất triển khai AWE trên toàn cầu có thể đạt 5GW vào năm 2035 và ít nhất 177GW vào năm 2050.

    Tuy nhiên, để thực hiện được sự tăng trưởng đó, các địa điểm thử nghiệm cần được thiết lập để cho phép số giờ hoạt động liên tục cần thiết nhằm phát triển các sản phẩm đáng tin cậy và các tiêu chuẩn ngành, mang lại đủ sự yên tâm cho khách hàng và chính quyền. Điều đó đòi hỏi phải có sự đồng ý giữa nhiều cơ quan chức năng, bao gồm cả ngành hàng không vũ trụ, quốc phòng, sức khỏe và an toàn công cộng. Vào tháng 7 năm 2022, công ty năng lượng khổng lồ của Đức RWE đã hoàn thành việc xây dựng một địa điểm thử nghiệm AWE ở Ireland như một phần của dự án MegaAWE, một dự án kéo dài ba năm do Liên minh Châu Âu tài trợ nhằm mục đích đưa AWE quy mô tiện ích tiến gần hơn đến thương mại hóa.

    Trong 15 năm tới, BVG ước tính sẽ cần 5 tỷ euro hỗ trợ công để nhận ra lợi ích ròng của AWE; bao gồm 4 tỷ euro hỗ trợ giá điện dự án và 1 tỷ euro hỗ trợ phát triển ngành. Hỗ trợ giá bổ sung sẽ giúp AWE hòa vốn với công nghệ gió đã được thiết lập vào giữa những năm 2030. Nói một cách dễ hiểu, 4 tỷ euro là giá của một trang trại gió ngoài khơi 1,2GW duy nhất, nó nói.

    Một báo cáo do Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) chuẩn bị cho các nhà lập pháp Hoa Kỳ không lạc quan hơn một chút. Họ đồng ý rằng, khi kết hợp với việc giảm chi phí vốn tiềm năng, AWE có tiềm năng cho các thiết bị LCOE thấp nhưng lưu ý – trái ngược với đánh giá của BVG – rằng việc triển khai ở quy mô thương mại có thể bị hạn chế do mật độ công suất ước tính trong khoảng từ 0,4 đến 4MW /km2, thấp hơn mức trung bình 3MW/km2 của gió truyền thống.

    Tuy nhiên, ngay cả trong kịch bản NREL, công nghệ này sẽ đóng một vai trò hỗ trợ quan trọng trong nỗ lực thúc đẩy khử cacbon cho nền kinh tế toàn cầu vào năm 2050. Để đạt được mức 0 ròng, thế giới cần tăng gấp đôi sản lượng điện vào năm 2050 khi nền kinh tế của các quốc gia nghèo hơn và các nước nghèo phát triển hơn nữa. nhu cầu điện khí hóa trong các lĩnh vực như giao thông vận tải sẽ tiếp tục tăng. Đó là một lượng điện khổng lồ và mục tiêu là 90% trong số đó (90% trong tổng số 200% sản lượng ngày nay) sẽ cần đến từ năng lượng tái tạo. Fagiano nói thẳng thừng: “Điều đó sẽ không xảy ra với riêng các công nghệ hiện tại.

    Archer thậm chí còn tin rằng AWE cuối cùng có thể cung cấp tới 10% nhu cầu năng lượng của thế giới. “Gió trong không khí là một phần nhỏ khác trong câu đố,” cô ấy tổng kết. “Nó sẽ không phải là một phần lớn, nhưng nó sẽ giúp ích. Ai biết được, có thể một ngày nào đó mọi nhà sẽ có con diều của riêng mình.”

    Phần này ban đầu được xuất bản trên trang web chị em của Power Technology, Energy Monitor.

    Zalo
    Hotline