Các dự án năng lượng sóng và năng lượng thuỷ triều
Sóng biển là một nguồn năng lượng vô tận, tuy nhiên cho đến nay, phương án này còn ít được triển khai. Phong trào rộ lên vào thập niên 70 của thế kỷ trước, nhưng sang thập niên 80, chương trình năng lượng sóng đã bị đình lại sau khi xảy ra một số hoàn cảnh không thuận lợi liên quan đến chi phí. Giờ đây, sau một số năm đình hoãn, một số dự án mới lại được đưa ra. Công ty Wavegen đã lắp đặt thiết bị “cột nước dao động” (Oscillating Water Column-OWC) công suất 500 kW trên đảo Islay và hiện đang triển khai một thiết bị khai thác năng lượng sóng ngoài khơi. Công ty cũng tài trợ một nhóm gồm 3 thiết bị ngoài khơi và lắp đặt thiết bị đầu tiên vào năm 2004 ở vùng nước nông, công suất 1MW. Trong khi đó, Công ty Ocean Power Delivery hiện đang triển khai một hệ thống nổi trên mặt nước mang tên Pelamis dạng ống có khớp nối với nhau. Công ty này có kế hoạch lắp đặt ngoài khơi thiết bị quy mô đầy đủ, dài 30m, công suất 750kW,  được đặt tại Orkneys. Ý đồ cuối cùng là có một “trại năng lượng sóng” (tương tự như các trại năng lượng gió hiện nay) gồm 40 tổ máy công suất 50 MW. Việc khai thác năng lượng sóng cũng tiến triển nhanh ở khắp nơi trên thế giới. Cụ thể, thiết bị nguyên mẫu công suất 20 kW mang tên “Wave Dragon” của Đan Mạch hiện đang được thử nghiệm ngoài biển mà bước tiếp theo là nhằm xây dựng một hệ thống công suất 10MW ở vùng biển sâu vào năm 2006. Thiết bị này bao gồm 2 tường phản xạ sóng để tập trung sóng trào lên bức tường dốc rồi đổ vào hồ chứa, cột nước tạo ra sẽ được sử dụng để làm quay tuabin. Đan Mạch cũng tiến theo hướng mới tới “Mặt phẳng sóng” (Wave Plane), theo đó sóng với độ cao khác nhau được dồn vào một chuỗi các kênh, tạo ra dòng xoáy làm quay tuabin. Trong khi đó,  Hà Lan lại đang triển khai loại thiết bị mới mang tên “Archimedes Wave Swing”. Chiếc đu này bao gồm một số buồng không khí hình nấm, dâng lên hạ xuống theo sóng và bơm không khí qua tuabin để phát ra điện.
Tuy nhiên, không chỉ châu Âu mới quan tâm đến năng lượng sóng. Ở Ôxtrâylia, thiết bị nguyên mẫu tường phản xạ loại mới công suất 300 kW của hãng Energetch hiện đang được thử nghiệm tại Port Kimbla, cách Sidney 100km về phía Nam. Đây là một thiết bị OWC, tuy nhiên thay vì loại tuabin 2 chiều, người ta sử dụng tuabin tốc độ chậm, góc nghiêng cánh thay đổi được, nên hiệu suất cao hơn. Theo Energetch, các biến thể đầu tiên của thiết bị của họ sẽ phát ra điện năng với giá thành 10 cent/kWh. BC Hydro ở Canađa đã quyết định sử dụng phiên bản của thiết bị này cho một dự án công suất 100MW tại Vancouver. Trong khi đó, tại Mỹ, Aqua Energy Group đang có kế hoạch về một dự án sóng công suất 1MW đặt tại Neah Bay, bang Washington. Theo Công ty này, năng lượng sóng ngoài khơi có tiềm năng lớn, có thể thoả mãn 5% đến 10% tổng nhu cầu điện năng tại Mỹ trong vòng 20 năm tới. Nhật Bản cũng không hề chậm chân trong lĩnh vực này. Họ đã nghiên cứu từ nhiều năm nay và đã lắp đặt một số tổ máy OWC trên đập chắn sóng. Nhật Bản cũng có 1 bè thử nghiệm năng lượng sóng nổi mang trên Mighty Whale.
Phương án chính thứ ba lắp đặt ngoài khơi là để tận dụng năng lượng thuỷ triều. Đã có thời gian người ta thiên về phương án xây dựng đập lớn chắn ngang qua cửa sông sâu có thuỷ triều; khi triều lên thì giữ nước lại, sau đó để nước chảy trở lại qua tuabin, tương tự như ở các nhà máy thuỷ điện. Khoảng 20% điện năng ở Anh có thể được cung cấp từ các đập loại này. Tuy nhiên, xây dựng các công trình đập này lại quá tốn kém (có thể lên tới 10 tỷ bảng Anh đối với Đập Severn, công suất 8 GW, cung cấp được khoảng 6% nhu cầu điện năng ở Anh), đồng thời lại tác động xấu đến môi trường trên diện rộng, vì vậy hiện nay phương án này không được quan tâm theo đuổi nữa. Một ý tưởng khác được đưa ra, đó là xây dựng các hồ chứa có đập tại cửa sông sâu, như vậy có thể sẽ rẻ hơn và ít tác động hơn về môi trường. Công ty Tidal Electric (Mỹ) đã đi theo hướng “Đầm phá thuỷ triều” (Tidal Lagoon) này. Họ đã lập kế hoạch về 3 dự án ngoài khơi xứ Wales: một dự án 30MW gần Fifoots Point trong vùng eo biển Bristol, một dự án 30MW tại vịnh Swansea và một dự án điện thuỷ triều lớn hơn nhiều, 423MW tại North Wales.
Tuy nhiên, hiện nay một phương án khác đã được mở ra, đó là sử dụng dòng thuỷ triều, tức là dòng nước theo chiều ngang chứ không phải là triều lên xuống. ý tưởng thiết kế này đang được khảo sát ở nhiều nơi trên thế giới. Mặc dầu còn ít được triển khai nhất, nhưng triển vọng của năng lượng dòng thuỷ triều lại rất sáng sủa.
Công nghệ dòng thuỷ triều ở Anh
Dòng thuỷ triều tốc độ lên tới 2m/giây có mặt tương đối phổ biến ở các vùng đại dương. Có nhiều phương án khai thác dòng chảy này. Phương án được quan tâm hơn cả là sử dụng các thiết bị tương tự như tuabin gió, nhưng được cố định bằng cách nào đó vào đáy biển.
Cho đến nay, Anh vẫn đi đầu triển khai theo ý tưởng này, mà chủ yếu là công trình tiên phong, ban đầu do IT Power thực hiện. Với sự hỗ trợ của Scottish Nuclear và NEL, năm 1994, IT Power đã xây dựng và thử nghiệm một nguyên mẫu nhỏ, loại 2 cánh, công suất 10 kW tại eo Corran Narrows vùng biển Loch Line. Sau đó, IT Power đã thành lập Công ty Marine Current Turbines Ltd (MCT) để triển khai một phiên bản thiết kế mới của tuabin “Seaflow” nhưng được lắp trực tiếp dưới đáy biển. Năm 2002, MCT bắt đầu thử nghiệm một thiết bị công suất 300 kW. Theo MCT, bước tiếp theo Công ty sẽ triển khai một kiểu máy lớn hơn mang tính thương mại, công suất 600 kW hoặc lớn hơn, vươn tới mục tiêu là xây dựng một dàn tuabin “trại dòng thuỷ triều” công suất 10MW.
Năm 2003, Bộ Công thương Anh đã cấp vốn cho 1 Công ty mới thành lập - Tidal Hydraulic Generators, để triển khai và thử nghiệm nguyên mẫu tuabin dòng thuỷ triều, mà theo kế hoạch sẽ lắp đặt các tuabin này dưới đáy cửa sông Severn. Phần chính trong thiết kế là các tuabin kiểu cánh quạt đường kính 8m lắp trên một chiếc khung đủ nặng để đứng vứng trên lòng sông ở dưới sâu 40m. Đơn vị triển khai dự án này đã thử nghiệm 1 phiên bản tuabin tại Milford Haven.
Hệ thống kiểu cánh quạt không phải là cách lựa chọn duy nhất. Chẳng hạn như Engineering Business, một Công ty kỹ thuật ngành biển cũng đã triển khai 1 hệ thống mà họ đặt tên là “cột nước chủ động”, thực chất là 1 biến thể của ý tưởng cột nước dao động, tuy nhiên thiết bị khai thác năng lượng sóng lại có các cánh ngầm sử dụng để biến dòng thuỷ triều theo chiều ngang thành chuyển động theo phương thẳng đứng. Sau đó Công ty này đã triển khai 1 ý tưởng thiết kế mới tựa như chiếc thuyền cao tốc có cánh ngầm song song ngập trong nước để khai thác năng lượng dòng thuỷ triều. Năm 2002, nguyên mẫu công suất 150KW, nặng 185 tấn, cánh dài 15m đã được thử nghiệm ngoài khơi quần đảo Shetland. “Rochester Venturi” lại là 1 ý tưởng mới nữa, do Geoff Rochester thuộc trường Đại học Hoàng gia Luân Đôn sáng chế. Thiết bị này hướng dòng thuỷ triều vào 1 đường ống thu hẹp, tạo ra độ giảm áp và gây tác dụng bơm. Hiện tượng này được sử dụng để đẩy 1 lượng nước tương đối nhỏ chạy quanh 1 mạch vòng nước thứ cấp, làm quay tuabin. Theo các nhà triển khai thiết bị thì có thể duy trì dòng chảy thứ cấp này trong 1 phần đáng kể của chu kỳ thuỷ triều, do vậy hiện tượng đỉnh nhọn công suất ra sẽ giảm đi rất nhiều so với khi sử dụng đập thuỷ triều. Điều này có nghĩa là với cùng 1 sản lượng điện, công suất nguồn có thể nhỏ hơn, chu kỳ làm việc dài hơn, do vậy nâng cao khả năng dự án tự đứng vững được về mặt kinh tế. Stephen Salter, người đi tiên phong trong lĩnh vực năng lượng sóng, cũng đã triển khai 1 ý tưởng về thiết bị dòng thuỷ triều mang tên “Polo”. Thiết bị này là 1 tuabin nước trục đứng, lắp trên 1 kết cấu hình xuyến nổi trên mặt nước, cánh tuabin chìm sâu dưới nước. Thiết bị này theo thiết kế sẽ có tổng trọng lượng 600 tấn và có thể đạt công suất 12MW.
Nghiên cứu khai thác năng lượng thuỷ triều ở các nước khác
Trong số những dự án khai thác dòng thuỷ triều tiến xa nhất phải kể đến thiết bị kiểu cánh quạt do Công ty Na Uy triển khai, trong đó có Statoil và ABB. Trên cơ sở hệ thống tương tự đang được Marine Current Turbines (MCT) thử nghiệm tại Devon, thiết bị này có kết cấu như tuabin gió và đã được lắp đặt dưới đáy biển gần Kvalsund tại mỏm vùng Bắc Cực của Na Uy. Công suất của thiết bị ban đầu chỉ đạt 300kW. Thiết bị kích thước đầy đủ Hammerfest Strom sẽ có cánh quạt, với sải cánh dài tới 15-16 m, lắp trên trụ đặt dưới đáy biển. Khi triển khai đầy đủ, tổng cộng sẽ có tới 20 trạm được bố trí cách chiếc cầu hiện có khoảng 80m về phía Tây. Theo Công ty này thì chỉ cần chiều sâu 17m là đủ để không ảnh hưởng tới giao thông đường thuỷ.
Trong khi đó ở ngoài nước, có vẻ như công nghệ Anh quốc đang tạo được bước đột phá. Tháng 5/2003, Thành phố San Francisco đã phê duyệt kế hoạch lắp đặt và thử nghiệm một nguyên mẫu thiết bị Hydro Venturi của Công ty RV tại khu vực Vịnh, gần cầu Cổng Vàng. Theo phát biểu của Công ty RV thì một khi triển khai đầy đủ, khu vực này sẽ có một dàn các venturi, chiều ngang là 1.000m, có thể cung cấp 452GWh mỗi năm.
Khác với hướng thiết kế cánh quạt trục ngang truyền thống được MCT và ABB/Statoil ưa chọn, nhiều Công ty triển khai theo hướng tuabin trục đứng. Cụ thể như EU đã tài trợ cho một nghiên cứu về khả năng phát điện bằng dòng thuỷ triều tại eo Messina, giữa đảo Sicilia và phần đất liền Italia, với việc sử dụng các tuabin trục đứng. Nghiên cứu này đề xuất bố trí 100 tuabin trục đứng dưới đáy biển, ở độ sâu 100m.
TS. Alexander Gorlov thuộc trường Đại học Northeastern (Boston, Mỹ) còn có tham vọng hơn, khi phát triển ý tưởng thiết kế những thiết bị đặt xa hơn ngoài biển để khai thác dòng hải lưu. Ông là nhà thiết kế và người sở hữu bằng sáng chế chiếc “Tuabin cánh quạt Gorlov”, một biến thể của tuabin gió Darrieus. Hiện nay các nguyên mẫu nhỏ đã qua bước thử nghiệm và TS Gorlov đang tính đến những ứng dụng quy mô lớn ở ngoài khơi, cụ thể là đã lập 1 dự án trên dòng hải lưu Gulf Stream. TS Gorlov lưu ý rằng dòng Gulf Stream mỗi giây chuyển 1 lượng nước xấp xỉ 80 triệu m3 nước qua vùng Miami, gấp 50 lần dòng chay của tất cả các dòng sông trên thế giới cộng lại. Tốc độ dòng nước trên bề mặt đôi khi còn hơn 2,5 m/s. Động năng tổng của dòng Gulf Stream gần Florida lên tới công suất xấp xỉ 65GW.
Công ty Blue Energy (Canađa) đã triển khai ý tưởng hàng rào thuỷ triều, theo đó các tuabin trục đứng hình chữ H được lắp trên một kết cấu dạng môđun. Trên cơ sở hợp đồng ký kết với Bộ Năng lượng Philippin năm 1998, Blue Energy hiện đang triển khai một nhà máy trình diễn, dự kiến phát được công suất 50MW vào giai đoạn dòng triều đỉnh, công suất trung bình 30MW. Bước tiếp theo trong kế hoạch của Công ty là 1 nhà máy có công suất đỉnh 1000MW, công suất trung bình 600MW lắp trên đường nối 2 hòn đảo. Blue Energy cũng đang thăm dò ý tưởng về một dự án lớn hơn nữa, đó là hàng rào thuỷ triều dài 4km giữa các đảo Samar và Dalupiri tại eo biển San Bernardino. Nhà máy điện này sẽ có công suất tổng là 2.200MW khi dòng triều lớn nhất (công suất trung bình là 1.100MW).
Đáng lưu ý là Blue Energy còn có một số ý tưởng nữa còn lớn lao hơn nhiều. Để hoàn thành việc liên kết chuỗi các đảo Philippin sẽ phải tốn tới 38 tỷ bảng Anh, nhưng sẽ mang lại khoảng 25GW công suất điện. Công ty này cũng tìm đến những địa điểm tiềm năng ở nhiều nơi khác trên thế giới, kể cả tại Anh.
Nguồn: Modern Energy Systems, 2/2005