Q & A: Dặm cuối cùng của năng lượng gió ngoài khơi
Một tàu đặt cáp đặt cáp cho một trang trại gió ngoài khơi. Ảnh: Shutterstock
Năng lượng gió ngoài khơi có tiềm năng cung cấp toàn bộ năng lượng điện cần thiết cho vùng Đông Bắc với hàng nghìn tua-bin gió cực lớn đặt ngoài khơi. Nhưng một trong những trở ngại lớn nhất để tạo ra hiện thực đó là đưa năng lượng gió từ các điểm phát điện ngoài khơi đến lưới điện trên đất liền.
Vượt qua những rào cản đó vừa là một thách thức kỹ thuật vừa là một thách thức chính trị. Và các sinh viên cũng như giảng viên của Tufts đang nỗ lực giải quyết cả hai vấn đề này. Công việc của họ có khả năng tạo ra hàng nghìn việc làm mới và thúc đẩy nỗ lực xây dựng cơ sở hạ tầng lớn chưa từng thấy kể từ Thỏa thuận mới vào những năm 1930.
Tufts Now gần đây đã nói chuyện với Eric Hines để hiểu rõ hơn về những thách thức chính trị và kỹ thuật "dặm cuối" đó. Hines là Giáo sư Thực hành và là thành viên Khoa Tsutsumi thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại Trường Kỹ thuật Tufts.
Năng lượng gió nói chung quan trọng như thế nào ở Hoa Kỳ ngay bây giờ?
Vào năm 2021, năng lượng gió và năng lượng mặt trời quy mô tiện ích từ các trang trại quy mô lớn đã cung cấp khoảng 12% lượng điện được tạo ra ở Hoa Kỳ. Đó là một lượng nhỏ so với nhiên liệu hóa thạch, chiếm khoảng 60% tổng sản lượng điện của Hoa Kỳ—với năng lượng hạt nhân, thủy điện và các năng lượng tái tạo khác là những nguồn chính khác.
Chúng tôi đã nghe nhiều về các trang trại gió ngoài khơi ở New England. Tại sao xây dựng chúng ở đó? Và những công ty nào có liên quan?
Gió ổn định và vùng nước liên bang nông ở Bên ngoài Thềm lục địa khiến New England và Trung Đại Tây Dương trở thành một trong những nơi tốt nhất để xây dựng các trang trại gió ngoài khơi ở Hoa Kỳ. Trong khi Iowa, Texas và Oklahoma cũng cung cấp các địa điểm lý tưởng để tạo ra năng lượng gió trên đất liền, những người ra quyết định của tiểu bang ở Bờ Đông đã bị thu hút bởi nguồn tài nguyên gió ngoài khơi của chúng ta vì nó rất gần với các thành phố lớn ven biển của chúng ta.
Cho đến nay, người châu Âu đã đầu tư nhiều hơn Mỹ vào việc phát triển công nghệ gió ngoài khơi. Hiện tại, chủ yếu là các công ty từ Đan Mạch, Na Uy, Hà Lan, Đức, Pháp, Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha đang nhận hợp đồng thuê từ chính phủ liên bang Hoa Kỳ để xây dựng các trang trại gió ngoài khơi bờ biển New England và các bang Trung Đại Tây Dương.
Năng lượng gió có đắt hơn không?
Mặc dù có rất nhiều cơ sở hạ tầng liên quan, nhưng cuối cùng, giá trung bình của điện gió ngoài khơi được ký hợp đồng mua cho đến nay tương đương với giá bán buôn điện trung bình từ nhiên liệu hóa thạch ở New England vào năm 2022.
Các trang trại gió có hiệu quả hơn như một nguồn năng lượng so với các tấm pin mặt trời không?
Theo quan điểm của chúng tôi, năng lượng mặt trời và năng lượng gió là những nguồn năng lượng tái tạo bổ sung cho nhau. Cả năng lượng mặt trời và năng lượng gió đều không thể thực hiện được công việc. Chúng ta cần cả hai.
Để hiểu được gió ngoài khơi, người ta phải xem xét quy mô. Một tuabin gió duy nhất cao hơn Tháp Prudential của Boston. Khoảng 1.000 tua-bin gió ngoài khơi khổng lồ này hoạt động với 100% công suất có thể tạo ra tất cả điện năng mà New England cần. Tuy nhiên, năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió hoạt động ở mức khoảng 25% đến 50% công suất do sự thay đổi tự nhiên trong nguồn tài nguyên sẵn có. Năng lượng mặt trời nằm ở đầu dưới của phổ công suất này và gió ngoài khơi ở đầu cao hơn.
Nhu cầu điện dao động hàng ngày và theo mùa, và một vài thời điểm mỗi năm, nhu cầu cao điểm có thể đạt hơn hai lần so với nhu cầu thông thường hàng ngày. Ngoài ra, để cắt giảm lượng khí thải CO2, chúng ta phải chuyển đổi ngành năng lượng của mình sang một hệ thống dựa trên điện, nơi chúng ta tạo ra điện bằng năng lượng tái tạo. Giả sử nhu cầu điện tăng 100% từ nay đến năm 2050 và hệ số công suất là 50%, khoảng 4.000 tua-bin gió ngoài khơi cộng với kho lưu trữ được thiết kế tốt có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của New England vào năm 2050.
Để so sánh, để tạo ra một lượng năng lượng tương tự, bạn sẽ cần các tấm pin mặt trời phủ kín mọi ngôi nhà cũng như hàng dặm đất trống. Các tòa nhà văn phòng lớn ở trung tâm thành phố Boston hoặc Manhattan không thể xây dựng đủ các tấm pin mặt trời tại chỗ để cung cấp năng lượng cho nhu cầu của họ.
Ảnh: Đại học Tufts
Đưa tất cả năng lượng do tua-bin gió tạo ra vào lưới điện trên đất liền là một thách thức lớn phải không?
Hiện tại, mỗi dự án điện gió ngoài khơi đang tìm kiếm kết nối duy nhất của riêng mình với lưới điện trên đất liền hiện tại của chúng tôi thông qua một điểm kết nối. Điều này phức tạp bởi thực tế là các khu vực cho thuê điện gió ngoài khơi được chính phủ liên bang cấp phép và các hợp đồng mua bán điện được cấp bởi từng tiểu bang. Ví dụ, hệ thống quy định phức tạp và phát triển nhanh chóng này đã dẫn đến nhiều công ty phát triển kế hoạch cung cấp năng lượng cho New York từ các trang trại gió ngoài khơi bờ biển Massachusetts.
Công việc đang được tiến hành ở một số tiểu bang và ở cấp liên bang là phát triển các kế hoạch tầm xa có thể tránh được 200 hoặc 300 dây cáp khác nhau hạ cánh trên các đường bờ biển nhạy cảm của chúng ta từ các điểm khác nhau ngoài khơi—nó tương đương với một đống dây nối dài.
Nếu bạn xây thêm một ngôi nhà, bạn có thể cung cấp tất cả năng lượng thông qua một loạt các dây nối dài từ ngôi nhà cũ của bạn vào phần bổ sung. Nhưng thay vào đó, bạn thuê một thợ điện và xây dựng một hệ thống bền bỉ, hiệu quả và an toàn. Chúng ta cần có cách tiếp cận tương tự để xây dựng nguồn cung cấp năng lượng tái tạo bằng năng lượng gió ngoài khơi.
Nếu, với tư cách là một xã hội, chúng ta làm điều này đúng, chúng ta có khả năng đồng thời cứu hành tinh, tạo ra các cộng đồng lành mạnh hơn và tạo ra hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm nghìn việc làm mới, được trả lương cao.
Những thách thức lớn nhất là gì?
Đây là nơi cả ý chí chính trị và kỹ thuật phát huy tác dụng. Giải pháp tốt nhất là xây dựng các đường hầm kiên cố và đàn hồi, với dây cáp chất lượng cao và hạn chế số lượng các địa điểm trên đất liền. Nhưng để làm được điều đó, chúng ta cần phá vỡ một thông lệ kỹ thuật truyền thống của New England: Không bao giờ cắm hơn 1,2 hợp đồng biểu diễn từ một nguồn duy nhất vào lưới điện.
Thách thức kỹ thuật—và đó là một thách thức lớn—là: Liệu chúng ta có thể thiết kế một hệ thống mà chúng ta có thể cắm nhiều hơn vào một vị trí theo cách mà chúng ta không làm đoản mạch quốc gia hay không.
Vấn đề cực kỳ phức tạp này đòi hỏi các kỹ sư phải suy nghĩ khác đi và thay đổi thiết kế của các trạm biến áp điện với cường độ gấp 10 lần. May mắn thay cho chúng tôi, có nhiều điều chúng tôi có thể học hỏi từ châu Âu. Ở Biển Bắc, khái niệm tập trung lượng lớn năng lượng này, bao gồm sản xuất lưu trữ thông qua hydro xanh, được gọi là "đảo năng lượng".
Và sau đó là thách thức về ý chí chính trị. Điều quan trọng đối với các tổ chức công liên bang, tiểu bang và khu vực cũng như khu vực tư nhân là làm việc trực tiếp với các cộng đồng ven biển, những người tổ chức các đầu nối này. Những cộng đồng này sẽ được đầu tư kinh tế đáng kể, nhiều việc làm, loại bỏ và làm sạch các nhà máy điện bẩn cũng như khôi phục các vùng đất ngập nước.
Các dây cáp sẽ được đặt dưới lòng đất khi chúng đi vào bờ. Bạn sẽ không nhìn thấy bất cứ thứ gì và những dây cáp khổng lồ này có thể được thiết kế để hạ cánh ở những khu vực ven biển nhạy cảm theo những cách an toàn và có trách nhiệm với môi trường. Khi chúng ta làm điều này, năng lượng thu được sẽ sạch hơn rất nhiều. Nó sẽ cải thiện chất lượng không khí, tạo ra một vết lõm lớn trong các vấn đề sức khỏe như hen suyễn. Hàng nghìn việc làm sẽ được tạo ra để xây dựng đường hầm và nhà máy, sau đó là bảo trì và vận hành chúng.
Tufts giúp giải quyết những thách thức kép này như thế nào?
Tại Tufts, chúng tôi đang hợp tác với các đồng nghiệp tại Bang Iowa, Clemson, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương và các nhóm ở Vương quốc Anh, Na Uy, Hà Lan và Demark để phát minh lại hệ thống điện cho quá trình chuyển đổi năng lượng. Chúng tôi đang phát triển giáo dục hệ thống điện thế hệ tiếp theo để giải quyết cả những thách thức về công nghệ cũng như những thách thức về môi trường và chính trị. Phần lớn học bổng của chúng tôi nhằm giúp các tiểu bang và thành phố suy nghĩ hiệu quả về cách phát triển năng lượng gió ngoài khơi và những điểm cộng và điểm trừ sẽ tùy thuộc vào cách họ thực hiện.
Chúng tôi đang dành cho sinh viên của mình một vị trí hàng đầu trong sự phát triển của lĩnh vực mới này. Sinh viên kỹ thuật của chúng tôi đang có được các kỹ năng để tạo ra bước nhảy vọt trong công nghệ nhà máy điện và cáp điện. Sinh viên và giảng viên đang tìm cách giải quyết các câu hỏi về môi trường bằng cách đưa tất cả năng lượng được tạo ra ngoài khơi vào lưới điện mà không làm tổn hại đến vùng nước ven biển có giá trị của chúng ta. Và tất nhiên, chúng tôi đang giáo dục học sinh của mình về nhiều cách cộng đồng cần tham gia vào quá trình lập kế hoạch để họ có thể tham gia vào việc lập kế hoạch cho những điểm hạ cánh này.
Cơ sở hạ tầng là một trong những thứ mà chúng ta có xu hướng coi là điều hiển nhiên. Phần lớn cơ sở hạ tầng của chúng ta được xây dựng vào đầu và giữa thế kỷ 20 đã tồn tại trong nhiều thập kỷ và hiện cần được sửa chữa. Cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng tôi cũng tương tự. Để ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu, nó cần phải được hình dung lại và thay thế—không chỉ ở Hoa Kỳ mà trên toàn thế giới. Nếu chúng ta có thể gặp thời điểm này và làm điều đó ngay tại sân sau của chính mình, chúng ta sẽ có cơ hội sử dụng những gì đã học để giúp cứu thế giới.
