Năng lượng thủy triều đang tăng lên
Bạn có biết không?
Một nghiên cứu năm 2021 của Đại học Edinburgh cho thấy năng lượng từ dòng thủy triều có khả năng cung cấp 11% nhu cầu điện hàng năm hiện tại của Vương quốc Anh
Năng lượng thủy triều là nguồn năng lượng tái tạo và có thể dự đoán được – thủy triều có thể được dự báo chính xác trong suốt cả năm
Vương quốc Anh có thủy triều mạnh thứ hai trên thế giới - sau Canada - vì vậy có thể là nơi lý tưởng để phát điện thủy triều
© Shutterstock
Với khả năng dự đoán của mình, năng lượng thủy triều có thể là một bổ sung hấp dẫn cho danh mục các nguồn năng lượng tái tạo để phát điện. Để điều đó xảy ra, các kỹ sư cần có khả năng kiểm tra các bộ phận sẽ phải hoạt động trong điều kiện ngoài khơi khắc nghiệt xung quanh Quần đảo Anh. Geoff Watts mô tả các tính năng của FastBlade, một cơ sở mới có thể thực hiện thử nghiệm tăng tốc quy mô lớn các cánh quạt để phát điện thủy triều.
Sản xuất điện thủy triều có thể đang trên bờ vực tăng? Khí đốt, than đá, hạt nhân, thủy điện, năng lượng mặt trời và gió đều góp mặt trong cuộc tranh luận đang diễn ra về điểm mạnh và điểm yếu, chi phí và lợi ích của các nguồn điện khác nhau. Nhưng năng lượng thủy triều hầu như không có mặt trong cuộc thảo luận – không có gì ngạc nhiên khi xét đến đóng góp nhỏ bé của nó cho đến nay. Sự lơ là này có thể thay đổi sau khi mở một cơ sở mới do Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Edinburgh quản lý.
Được gọi là FastBlade, nó đã được chế tạo với chi phí 4,6 triệu bảng Anh để thử nghiệm các cánh quạt tuabin lớn thuộc loại được sử dụng để lấy năng lượng từ các dòng thủy triều. Để kết hợp một phép ẩn dụ, việc FastBlade ra mắt vào tháng 5 năm 2022 có thể là một điều bất ngờ: một gợi ý rằng sức mạnh thủy triều đang thay đổi.
Khai thác tiềm năng thủy triều
Năng lượng gió chiếm hơn một phần tư lượng điện được tạo ra ở Anh. Điều đó có thể hiểu được rằng gió chứ không phải nước nên là nguồn năng lượng tái tạo được ưu tiên. Gió, một loại trái cây thấp trong số năng lượng tái tạo, được phổ biến rộng rãi. Tua-bin gió tương đối đơn giản để xây dựng và tiếp cận để bảo trì. Ngược lại, dòng thủy triều đủ mạnh để cung cấp năng lượng có thể sử dụng với chi phí hợp lý là tương đối hiếm. Tua bin thủy triều đã (và vẫn còn) đắt tiền, khó lắp đặt và bảo trì hơn. Vì vậy, các dòng thủy triều của châu Âu hầu như không được khai thác - và khoảng một nửa trong số đó nằm trong vùng biển của Vương quốc Anh.
Có một số tùy chọn để khai thác sức mạnh của thủy triều. Cách quen thuộc nhất, được gọi là phạm vi thủy triều, là bằng cách xây dựng một đập chắn ngang qua cửa sông hoặc tạo ra một đầm phá nhân tạo. Khi nước chảy vào và chảy ra khỏi đầm phá, nó di chuyển qua các kênh được trang bị tua-bin.
Nhà máy điện thủy triều nhìn từ trên không ở cửa sông Rance, nơi cung cấp 0,12% nhu cầu điện của Pháp. Nó tạo ra năng lượng bằng cách dẫn nước qua tua-bin khi mực nước được giữ cao hơn ở cửa sông thủy triều. Một con đường chính cũng băng qua con đập, cho phép các phương tiện di chuyển giữa Dinard và Saint-Malo © Shutterstock
Một trong những đầm phá thủy triều lâu đời nhất nằm trên cửa sông Rance ở Brittany, Pháp. Khai trương vào năm 1966, Nhà máy điện thủy triều Rance có công suất cực đại là 240 megawatt (MW) từ 24 tua-bin. Đây là nhà máy điện thủy triều lớn nhất thế giới cho đến năm 2011 khi Nhà máy điện thủy triều hồ Sihwa khai trương ở Hàn Quốc, với tổng công suất phát điện là 254 MW.
Vị trí địa lý của Kênh Bristol và Cửa sông Severn của Vương quốc Anh đã thúc đẩy các đề xuất xây dựng một đập chắn nối liền các bờ biển Anh và xứ Wales của nước này, hoặc một đầm phá thủy triều được xây dựng ngoài khơi một phần của bờ biển Nam Wales. Những dự án kỹ thuật lớn này cho đến nay đã bị từ chối với lý do chi phí hoặc thiệt hại cho môi trường hoặc cả hai.
Có một số lựa chọn thay thế cho rào chắn khi nói đến việc khai thác năng lượng thủy triều. Một cách tiếp cận là dòng chảy thủy triều, hoạt động ở vùng nước sâu hơn và tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng các dòng chảy tự nhiên xảy ra khi thủy triều thay đổi. Nó dựa vào một thiết bị tương đương dưới nước của tuabin gió. Một cột thẳng đứng giữ cánh quạt trên đáy biển. Khi thủy triều lên xuống, cánh quạt quay theo. Một cách tiếp cận khác là tuabin nổi, với các cánh quạt được treo bên dưới một phao neo an toàn. Một dự án hiện tại sử dụng phương pháp này là nguyên mẫu O2 do Orbital Marine Power chế tạo. Với công suất 2 MW, Orbital mô tả O2 là "tuabin thủy triều mạnh nhất thế giới".
O2 ở Orkney. Một trong những thế hệ tuabin thủy triều hiện nay thu hút được nhiều sự quan tâm là Orbital O2. Là một cỗ máy nổi, nó được chế tạo ở Dundee vào năm 2021 bởi công ty năng lượng tái tạo Orbital Marine Power của Scotland, sau đó được kéo đến vị trí hiện tại tại địa điểm Fall of Warness của Trung tâm Năng lượng Biển Châu Âu (EMEC), ngoài khơi Đảo Eday.
O2 ra khỏi nước và nó trông như thế nào khi được đặt trong nước, với các chân giữ các cánh quạt được đặt hướng xuống dưới, bên dưới mặt biển © Orbital Marine Power
Địa điểm neo đậu là khu vực nơi Đại Tây Dương gặp Biển Bắc, nơi được biết đến với các dòng thủy triều chảy xiết.
O2 bao gồm hai cánh quạt với tổng lướt
diện tích 600 m2, lớn nhất từ trước đến nay trên một tuabin thủy triều nổi. Cả hai cánh quạt đều có đường kính 20 mét và được gắn trên các chân có bản lề dài 18 mét nhô ra ở hai bên từ một bệ hình ống nổi dài 74 mét.
Khi ở trên mặt nước, O2 trông giống như một chiếc máy bay thân mỏng dài được trang bị cánh và cánh quạt ngoại cỡ. Khi được ngâm trong biển và đang hoạt động, các chân có bản lề giữ các rô-to nghiêng xuống so với phao ở một góc khoảng 50° sao cho các rô-to nằm dưới mặt biển và ở vùng có dòng thủy triều chảy nhanh nhất. Đưa các cánh tay trở lại theo chiều ngang nâng rôto lên bề mặt để kiểm tra và bảo trì.
Tua bin được neo vào vị trí bằng bốn dây xích gắn vào đáy biển. Các cánh rô-to có thể nghiêng 360°, tránh phải định hướng lại nền tảng sau mỗi lần thủy triều quay.
O2 đã hoạt động và xuất điện cho lưới điện Orkney kể từ tháng 7 năm 2021. Nó dự kiến sẽ bù đắp khoảng 2.000 tấn CO2 mỗi năm và cung cấp điện cho 1.700 ngôi nhà ở Vương quốc Anh.
Cho đến nay, O2 đã đáp ứng được kỳ vọng, không có vấn đề không lường trước được và được lên kế hoạch duy trì hoạt động trong 15 đến 20 năm. Trong thời gian này, nó sẽ được tích hợp với một cơ sở sản xuất hydro và bộ lưu trữ pin tại EMEC để tạo ra 'hydro xanh', một phần trong kế hoạch mang lại nền kinh tế hydro toàn diện cho Quần đảo Orkney.
Vào năm 2021, Kỷ yếu của Hiệp hội Hoàng gia đã xuất bản một bài đánh giá về sản xuất năng lượng thủy triều ở Vương quốc Anh. Điều này xác định chỉ 10,4 MW công suất phát điện được lắp đặt và vận hành. Đặt con số đó bên cạnh hơn 300 Terrawatt giờ (TWh) điện mà Vương quốc Anh tạo ra hàng năm nhấn mạnh sự đóng góp vẫn còn rất nhỏ của các dòng thủy triều. Tuy nhiên, như các tác giả của báo cáo đã chỉ ra, tương lai có thể khác biệt rõ rệt. Họ ước tính rằng các dòng thủy triều có thể mang lại 34 TWh/năm cho Vương quốc Anh, tương đương hơn 10% nhu cầu điện hiện tại.
Dòng thủy triều phụ thuộc vào các công nghệ vẫn chưa đạt đến độ chín thương mại của tua-bin gió. Để đạt được bất kỳ mục tiêu nào như vậy, một cơ sở như FastBlade sẽ đóng một vai trò thiết yếu, nhất là vì sự cố của lưỡi là nguyên nhân rất có thể gây ra thời gian ngừng hoạt động trong thế hệ.
Cánh tuabin thủy triều thường được làm bằng carbon hoặc sợi thủy tinh. Thông thường dài từ 8 đến 10 mét, chúng ngắn hơn và cứng hơn cánh tuabin gió. Sự khác biệt này là cần thiết vì nước đậm đặc hơn nhiều so với không khí và mỗi cánh quạt phải chịu được tải trọng lớn hơn trên một đơn vị chiều dài. Kiểm tra sức mạnh và sự phù hợp của thiết kế là điều cần thiết.
(Bên trái) Hệ thống FastBlade đang hoạt động, với một lưỡi cắt thủy triều tại chỗ, sẵn sàng để thử nghiệm. (Phải) Cận cảnh mô hình đốm được áp dụng trên bề mặt lưỡi dao © FastBlade
Kiểm tra lưỡi
FastBlade tự nhận mình là “cơ sở thử nghiệm siêu hiệu quả và nhanh chóng đầu tiên trên thế giới dành cho các cánh tua-bin thủy triều và các cấu trúc hỗn hợp khác”. Mặc dù nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác – từ hàng không vũ trụ đến xây dựng cầu – như tên cho thấy, các nhà lập kế hoạch của FastBlade luôn nghĩ đến việc kiểm tra độ mỏi của các cánh tuabin thủy triều.
FastBlade là kết quả của sự hợp tác giữa Đại học Edinburgh và công ty kỹ thuật Babcock International, với sự hỗ trợ của khoản tài trợ £1,8 triệu từ Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật (EPSRC), và được đặt tại Xưởng đóng tàu Rosyth của Fife.
Chính thức khai trương vào tháng 5 năm 2022, tâm điểm của FastBlade là một phòng thử nghiệm lớn, nơi chứa giàn khoan để gắn các lưỡi dao. Sau đó, chúng phải chịu một mô phỏng gia tốc về tải trọng mà các cánh quạt sẽ phải chịu trong suốt thời gian tồn tại của dòng thủy triều đạt cực đại. Hai cần cẩu du lịch 10 tấn trên cao có thể nâng các cánh quạt từ phương tiện giao hàng và hạ chúng xuống giàn thử nghiệm.
Bản thân giàn khoan, chìm sâu hơn hai mét xuống đất, là một kết cấu thép dài 12 mét và rộng 2,5 mét. Thử nghiệm được thực hiện trên các lưỡi đơn. Ở một đầu của thiết bị là một bức tường thép thẳng đứng mà lưỡi dao để thử nghiệm có thể được bắt vít theo chiều ngang và song song với trục dài của đế bên dưới. Cấu trúc được thiết kế, vì những lý do rõ ràng, là cứng nhắc. Bất kỳ sự uốn cong nhỏ còn sót lại nào mà nó có thể biểu hiện đã được tính đến trong quá trình hiệu chuẩn ban đầu của thiết bị.
Trong quá trình thử nghiệm, các thanh trượt thủy lực tác dụng các ứng suất tải, được thiết kế để kích thích lực của dòng thủy triều, lên lưỡi dao từ bên dưới. Việc sử dụng dầm để tạo ứng suất là cần thiết vì độ ngắn và độ cứng tương đối của cánh tuabin thủy triều. Thử nghiệm cộng hưởng – với các cánh quạt được tạo ra để cộng hưởng dưới khối lượng của chính chúng mà không cần áp dụng áp suất bên ngoài để uốn cong chúng – chỉ có hiệu quả với các cánh tuabin gió dài hơn, nhẹ hơn và ít cứng hơn.
Các thanh ram của FastBlade sử dụng máy bơm thủy lực, hoạt động với tốc độ 800 lít mỗi phút, để phân phối tải trọng lên các cánh. Công nghệ thủy lực tái tạo – lần đầu tiên được sử dụng trong cơ sở thử nghiệm loại này – phục hồi năng lượng giữa các chu trình để giảm năng lượng tiêu thụ. Trong một hệ thống thông thường, thủy lực
thúc đẩy chuyển động về phía trước của các thanh trượt chỉ đơn giản là được cho phép, giữa mỗi hành trình, trở lại khí quyển. Trong một hệ thống tái tạo, khi chất lỏng giảm áp suất, nó sẽ tạo áp suất cho chất lỏng thúc đẩy chuyển động tiếp theo của máy bơm. Điều này phục hồi khoảng 80% năng lượng cần thiết, giúp thử nghiệm ít tốn kém hơn.
Mỗi chu kỳ bốc dỡ tượng trưng cho một lần lên xuống của thủy triều. Giàn khoan có thể hoàn thành một chu kỳ trong một giây. Trên thực tế, sẽ mất từ ba đến bốn tháng để mô phỏng ứng suất của việc sử dụng cánh quạt liên tục trong 20 đến 25 năm và để thực hiện các thử nghiệm khác, chẳng hạn như tải trọng bổ sung mà tác động của sóng hoặc nhiễu loạn có thể gây ra. Một chương trình thử nghiệm đầy đủ có thể yêu cầu tới 10 triệu chu kỳ. Hệ thống được thiết lập để sử dụng bốn thanh trượt thủy lực, thông thường sẽ được sử dụng khi kiểm tra cánh tuabin. Các đối tượng khác đang được thử nghiệm có thể cần phân bổ khác hoặc tải lớn hơn để có thể bổ sung thêm ram theo yêu cầu.
Các cảm biến phân bố trên bề mặt của lưỡi dao cho phép các nhà điều tra đo lường và ghi lại phản ứng của lưỡi dao đối với ứng suất. Máy đo gia tốc, máy theo dõi vị trí và máy đo biến dạng đo cách các cánh phản ứng với tải lặp đi lặp lại. Để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số, các cặp máy ảnh tập trung vào một mẫu quang phổ ngẫu nhiên được phun lên bề mặt của lưỡi kiếm thông qua một khuôn tô do máy tính tạo ra. Hình ảnh 3D về chuyển động của cánh quạt sau đó được sử dụng để phát triển các mô hình máy tính.
FastBlade cũng có thể tiến hành các thử nghiệm tĩnh để đánh giá độ cứng của lưỡi và mức độ biến dạng của chúng khi chịu tải. Thử nghiệm như vậy có thể tiết lộ những điểm yếu tiềm ẩn và có thể chỉ ra những cải tiến có thể có trong thiết kế của các cánh quạt trong tương lai. Ngoài ra, việc thử nghiệm các lưỡi dao khi hết vòng đời hoạt động của chúng có thể cho thấy các lưỡi dao đã sử dụng đã đối phó với áp lực thực tế như thế nào trong nhiều năm chịu tải trọng trên biển.
FastBlade đã tổ chức các cuộc thử nghiệm đầu tiên trên một cánh quạt đã ngừng hoạt động từ tuabin thủy triều nguyên mẫu Deepgen III 1 MW. Dự án, LoadTide, đã trải qua một loạt các thử nghiệm đối với một lưỡi dao dài 5,25 mét. Được cung cấp bởi Trung tâm Năng lượng Hàng hải Châu Âu và được sản xuất bởi Tidal Generation Limited, lưỡi kiếm đến từ một dự án năng lượng thủy triều trước đó. Trước khi nhóm nghiên cứu có thể bắt đầu thử nghiệm lưỡi dao, họ phải loại bỏ một lớp sơn chống rỉ bảo vệ. Lưỡi dao đã trải qua một loạt hơn 30.000 chu kỳ, tương đương với khoảng 22 năm chịu tải mỏi tăng tốc.
Là một phần của quá trình thử nghiệm ban đầu, FastBlade hoàn toàn có thể vận hành hệ thống thủy lực chuyển số độc đáo cũng như phần mềm điều khiển riêng. FastBlade có kế hoạch sử dụng các bài học rút ra từ dự án LoadTide để cải thiện hơn nữa cả khả năng kiểm soát và hiệu quả năng lượng của các thử nghiệm trong tương lai.
lên cấp
Hiện tại, năng lượng dòng thủy triều đắt hơn năng lượng gió. Số liệu tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất kinh tế của các phương pháp sản xuất khác nhau là chi phí năng lượng được quy dẫn (LCoE). Đây là tỷ lệ giữa tổng chi phí trọn đời của một dự án với sản lượng năng lượng trong suốt thời gian đó.
Trong khi gió ngoài khơi hiện có giá khoảng 37 bảng Anh mỗi MWh, thủy triều có giá dưới 200 bảng Anh mỗi MWh. Daniel Coles, một nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật, Máy tính và Toán học tại Đại học Plymouth và là tác giả chính của bài báo đánh giá của Hiệp hội Hoàng gia, nằm trong số những người còn e ngại về phương pháp LCoE. Họ tin rằng nó bỏ qua toàn bộ chi phí hệ thống (những thay đổi trong chi phí xây dựng và vận hành toàn bộ hệ thống điện do bổ sung một công nghệ mới) mà các dự án điện tái tạo phải chịu, cũng như các lợi ích kinh tế xã hội rộng lớn hơn đi kèm với sự phát triển của một công nghệ mới. Nhưng anh ấy lạc quan. Ông chỉ ra: “Chi phí năng lượng thủy triều hiện đang giảm với tốc độ nhanh hơn nhiều so với năng lượng gió và mặt trời. “Việc cắt giảm chi phí này được thúc đẩy bởi quá trình học hỏi và phát triển công nghệ.” Với việc áp dụng sớm hơn, gió và mặt trời đã gặt hái được những lợi ích của giai đoạn giảm chi phí nhanh chóng này.
Một điểm yếu của hầu hết các nguồn năng lượng tái tạo là không có khả năng cung cấp tải cơ bản suốt ngày đêm. Điều này cũng đúng với sức mạnh thủy triều, cũng khác nhau, nhưng nó mang lại khả năng dự đoán tổng thể. Không giống như mặt trời và gió, thủy triều đáng tin cậy, gần giống như kim đồng hồ. Không có công nghệ năng lượng tái tạo nào khác có thể đảm bảo sản lượng điện cụ thể vào một giờ nhất định trong ngày hoặc đêm vào một ngày, nhiều năm trong tương lai.
Toàn bộ tiềm năng của tua-bin thủy triều sẽ không được phát huy cho đến khi có đủ tự tin để triển khai chúng không phải ở dạng một hoặc hai mà ở dạng mảng nhiều megawatt, giống như đã xảy ra với các trang trại tua-bin gió ngoài khơi. Liên minh châu Âu (EU) là một trong những người ủng hộ nổi bật hiện nay của công nghệ.
Phù hợp với các chính sách xanh của mình, dự án FORWARD-2030 trị giá 26,7 triệu euro của EU nhằm đẩy nhanh việc triển khai thương mại năng lượng thủy triều cùng với sản xuất điện gió, lưu trữ pin và sản xuất hydro xanh. Mục tiêu của nó là giảm LCoE của năng lượng thủy triều, tăng cường sự chấp nhận của xã hội và môi trường, chuẩn bị
là để sản xuất thiết bị với số lượng lớn trong tương lai, giảm hơn nữa lượng khí thải carbon và tăng cường tích hợp năng lượng thủy triều với các hệ thống năng lượng khác. Kế hoạch này được hỗ trợ bởi một tập đoàn toàn châu Âu và do Orbital Marine đứng đầu.
Mặc dù các dãy tua-bin thủy triều có khả năng tìm thấy một vị trí trong tổng thể các nguồn năng lượng, nhưng rất khó để dự đoán điều này sẽ xảy ra sớm hay ở mức độ nào. Những người đam mê nói về việc làm xanh mới, cơ hội xuất khẩu và lợi ích kinh tế cho các cộng đồng ven biển, đồng thời chỉ ra một loạt các dự án dòng thủy triều quốc tế với các tiêu đề viết tắt lạc quan như TIGER và ELEMENT. Nhưng những người theo chủ nghĩa hiện thực sẽ vẫn chú ý đến một nhận xét khác từ Daniel Coles: “Để thực sự tăng tốc và phát triển, [tidal] sẽ cần thứ mà ngành công nghiệp năng lượng gió và mặt trời đã được hưởng lợi, đó là sự hỗ trợ trợ cấp liên tục và đáng tin cậy trong 10 đến 15 năm tới năm.”
Geoff Watts đã nói chuyện với Daniel Coles và Tiến sĩ Fergus Cuthill, Cán bộ thí nghiệm cấp cao và Giám đốc FASTBLADE tại Trường Kỹ thuật của Đại học Edinburgh, về bài viết này.
