Biển có thể đóng góp những gì cho nhu cầu năng lượng thế kỷ 21

Tuy nhiên, trữ lượng các nguồn năng lượng hoá thạch là có hạn và sự cạn kiệt của chúng đang được dự báo bởi nhiều tính toán khoa học. Vì vậy, đã nhiều năm nay các nhà khoa học thế giới đầu tư nhiều công sức cho việc tìm những dạng năng lượng khác với hy vọng có thể thay thế một phần hay toàn bộ các nhiêu liệu hoá thạch truyền thống, hoá giải các thách thức nói trên. Sự tìm kiếm này đã và đang đem lại nhiều thành quả quan trọng đầy triển vọng.

Từ giữa thế kỷ 20 biển đã trở thành nguồn cung cấp dầu mỏ và khí thiên nhiên cho thế giới ngày càng nhiều. Hiện nay công việc thăm dò và khai thác dầu khí ở đáy biển đang ngày càng phát triển và người ta đã có thể khai thác những mỏ dầu và mỏ khí ở những vùng biển có mực nước sâu đến cả nghìn mét. Và lĩnh vực dầu khí biển vẫn đang tiếp tục tiến ra những vùng nước sâu, xa bờ. Tuy nhiên, bài viết này xin phép không đề cập đến đóng góp ngày càng tăng của biển trong lĩnh vực dầu khí, mà chỉ điểm qua một số những tiềm năng to lớn khác của biển khả dĩ có thể góp phần phát triển nền năng lượng cho nhân loại trong thế kỷ này và những thế kỷ tiếp theo.

Hydrat metan:

Gần đây người ta nói nhiều đến nguồn tài nguyên hết sức to lớn dưới đáy biển là các vỉa hydrat metan. Hydrat metan là những tinh thể, trong đó các phân tử nước (H2O) liên kết với nhau thông qua lực hút giữa nguyên tử H của phân tử này và nguyên tử O của phânt ử khác (gọi là liên kết hydro) để tạo thành những hốc bên trong chứa các phân tử khí, chủ yếu là metan (CH4). Các lớp sa lắng hydrat metan ở đáy biển có chỗ có bề dày đến vài trăm mét. Vì chỉ có thể tồn tại trong những điều kiện nhiệt độ (thấp) và áp suất (cao) nhất định nên hydrat metan chỉ được tìm thấy ở những vùng biển có độ sâu nước trên 400 – 500 mét (áp suất cao và nhiệt độ thấp) hoặc ở các vùng biển cạn hơn gần các cực của trái đất (ở các vùng này áp suất thấp hơn nhưng nhiệt độ cũng thấp hơn). Về trữ lượng hydrat metan có nhiều dự báo khác nhau, tuy nhiên, các tác giả khảo sát đều thống nhất với nhau là hết sức lớn. Dự báo gần đây (2004) đưa ra con số từ1 đến 5 x 10 ⁵tỷ mét khối. Con số này xấp xỉ trữ lượng tất cả các nhiên liệu hoá thạch cộng lại (than, dầu, khí). Theo bản đồ phân bố thì đáy biển ở rất nhiều vùng với độ sâu trên 500 mét nước và các vùng cực có chứa hydrat metan với diện tích và độ dày khác nhau (xem hình 1).

Cho đến nay chưa có nước nào khai thác hydrat metan ở quy mô công nghiệp, tuy nhiên, triển vọng của việc khai thác nó trong thời gian tới là không nhỏ. Nhật Bản, theo thông báo trên “The Time” ngày 14 - 4 - 2008, đã phát hiện trữ lượng xác minh 39 TCF (1,1 nghìn tỷ mét khối) khí metan trong các vỉa hydrat dưới đáy biển. Trữ lượng dự báo là khoảng 7,5 nghìn tỉ mét khối. Với trữ lượng trên 3TCF, nước Nhật có thể sử dụng trong 14 năm mà không phải nhập khẩu khí thiên nhiên hoá lỏng LNG (mỗi năm nhập khoảng 62 triệu tấn LNG). Dự định năm 2016 dự án khai thác thương mại hydrat metan sẽ bắt đầu triển khai. Các quốc gia Trung Quốc, Hàn Quốc, Canada… cũng đã thông báo tìm thấy các vỉa hydrat metan ở thềm lực địa. Năm 2006 Trung Quốc quyết định chi 100 triệu USD cho các dự án hydrat metan. Hiện nay người ta cho rằng, phương pháp khai thác hydrat metan khả thi nhất là phương pháp hạ áp suất (depressurization), nghĩa là giảm áp suất để phá vỡ cấu trúc tinh thể hydrat, do đó, khí và nước tách ra khỏi nhau. Tuy nhiên, tăng nhiệt độ và giảm áp suất của môi trường xung quanh nhất định sẽ gây ra sự phá huỷ cấu trúc tinh thể và khi đó khí metan cùng với những khí khác sẽ được giải phóng vào bầu khí quyển của trái đất. Khí metan là khí độc, nhưng điều quan trọng hơn cả là khả năng gây hiệu ứng nhà kính của nó thì cao hơn khí CO2 khoảng 10 lần. Như vậy, nếu khí metan từ các lớp hydrat được “giải phóng” và thoát vào bầu khí quyển thì nguy cơ hiệu ứng nhà kính là hết sức nghiêm trọng.

Tảo (algae)

Tảo là loại thực vật bậc thấp, gồm một hay nhiều tế bào có cấu trúc đơn giản hợp thành, nhưng không có rễ, thân và lá, có thể sống trong ao hồ (tảo nước ngọt) hoặc ngoài biển (tảo nước mặn). Có hai loại tảo chính; đại tảo (macroalgae) và vi tảo (microalgae). Những loại vi tảo được chú ý nhiều vì hàm lượng chất béo rất cao, đặc biệt là tảo phù du (phytoplankton), một loại tảo đơn bào kích thước rất nhỏ, khó thấy được bằng mắt thường những tế bào đơn lẻ nhưng tốc độ sinh sản cực kỳ nhanh, phát triển thành từng quần thể với số lượng vô cùng lớn tập trung ở lớp bề mặt nước biển (khoảng hàng triệu tế bào trong 1 mililit) để đón ánh nắng mặt trời thực hiện quá trình quang hợp. Chính từ các tảo phù du chết đi, bị vùi lấp ở đáy biển qua nhiều triệu năm trước đã biến đổi thành những mỏ dầu có trữ lượng lớn ngoài thềm lục địa và đại dương ngày nay.

Hiệu suất dầu của các loại thực vật có dấu

Tầm quan trọng của tảo trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều nước, nhiều công ty. Vào tháng 10 năm 2008, một Hội nghị quốc tế về sinh khối tảo (Algae Biomass Conference) đã diễn ra tại Seattle, bang Washington và chính Bill Gates, ngày 17 tháng 9 năm 2008 mới đây đã công bố đầu tư 100 triệu USD cho Công ty Sapphire Energy để đẩy nhanh nghiên cứu sản xuất nhiên liệu từ tảo (algae fuel). Công ty Sapphire Energy (Mỹ) là công ty đang thực hiện dự án xây dựng nhà máy sản xuất 10.000 thùng dầu từ tảo và đang dồn sức giải quyết những vấn đề về công nghệ để có thể trong vòng 3 - 5 năm tới đưa nhà máy này vào hoạt động. Một chương trình nghiên cứu khả thi mô hình sản xuất tảo quy mô công nghiệp trị giá 2,6 triệu Euro với sự hợp tác của nhiều trường Đại học, Viện nghiên cứu của Pháp và châu Âu đã được tiến hành từ cuối tháng 12 - 2006. Mục tiêu của chương trình là tìm và tuyển chọn loại tảo tối ưu có khả năng sinh sản nhanh nhất và cho hiệu suất dầu cao nhất.

Ở châu Á, vùng vịnh Thái Lan và nam Biển Đông được xem là vùng có điều kiện phát triển tảo thuận lợi vì nhiệt độ nóng ấm quanh năm và giàu dinh dưỡng, vì vậy đang có nhiều dự án quốc tế định hướng vào đây. Ở nước ta, hai loại vi tảo (microalgae) có nhiều triển vọng nuôi trồng là loại Botryococcus braunii và Nannochloropsis, là những loại tảo đơn bào, thích hợp với điều kiện nhiệt độ 20 - 23 ⁰C, cường độ ánh nắng mặt trời 60 W/m2 với 10 – 12 giờ nắng trong ngày và hàm lượng muối NaCl khoảng 0,15M. Những loại này đều cho hàm lượng dầu béo cao.

Năng lượng của sóng biển (wave energy)

Sóng biển ngoài đại dương là một dạng năng lượng tái tạo do tác dụng của gió quét trên bề mặt biển; năng lượng của gió đã chuyển sang năng lượng của sóng. Trong khi đó, gió lại do sự đốt nóng của mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất tạo ra nên năng lượng của sóng biển có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời. Sóng biển được xem như chất chuyền tải năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời truyền sang sóng biển nhiều nhất ở những nơi có luồng gió mạnh nhất (khoảng giữa vĩ độ 30 và 60 ⁰C) gần đường xích đạo.

Công suất của năng lượng sóng biển chủ yếu phụ thuộc vào chu kỳ và chiều cao của sóng. Kích thước của sóng phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của gió (tốc độ gió, chu kỳ gió, hướng đi của gió), độ sâu của biển (làm phân tán hay hội tụ năng lượng sóng), và dòng chảy của nước. Khi có gió to, biển động, chiều cao sóng có thể lên đến 15 m, chu kỳ sóng khoảng 15 giây. Kích thước của sóng càng lớn, càng tạo ra nhiều năng lượng, năng lượng này ở trên mặt biển, hoặc ở dưới mặt nước biển có thể thu lại và chuyển hoá thành điện năng nhờ các thiết bị, máy móc chuyên biệt, được gọi là các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng (wave energy converters).

Cột nước dao động (OWC) để chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng

Năng lượng của thuỷ triều (tidal energy)

Thiết bị cột nước dao động (OWC) để chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng.

Giống như hệ thống chuyển hoá năng lượng sóng thành điện năng, hệ thống thiết bị chuyển hoá năng lượng thuỷ triều thành điện năng cũng bao gồm hai bộ phận: bộ phận thu năng lượng thuỷ triều và bộ phận chuyển hoá năng lượng thuỷ triều thành điện năng. Trên thế giới, ý tưởng chuyển năng lượng thuỷ triều thành điện năng đã có từ rất lâu với đề án của Thomas Fulljames năm 1849. Rất nhiều đề án được xây dựng sau đó, nhưng vì xây dựng nhà máy điện thuỷ triều quá tốn kém, giá thành điện thuỷ triều tính ra rất cao so với điện từ năng lượng hoá thạch, vì thế nhiều dự án phải gác lại. Sau cuộc khủng hoảng năng lượng ở những năm 70, các dự án về điện thuỷ triều được xem xét lại và đẩy mạnh ở nhiều nước, trong đó đáng chú ý nhất là dự án điện thuỷ triều của Anh ở cửa sông Severne đề nghị trước đây đã được sự ủng hộ của chính phủ thông qua năm 1978. Nhiều dự án nhà máy điện thuỷ triều ở Pháp trên cửa sông Rance, ở Canada trên vịnh Fundy, ở Nga trên vùng biển Murmansk được xây dựng trong vòng vài thập kỷ gần đây. Tiềm năng điện thuỷ triều trên thế giới rất lớn, khoảng trên 300.000 tỷ Wh/ năm. Những nước có tiềm năng phát triển điện thuỷ triều là Nga, Canada, Mỹ, Argentina, Pháp, Trung Quốc và Ấn Độ. Ở những nước này có nhiều vùng biên độ dao động của thuỷ triều lớn, vì vậy đánh giá tiềm năng điện thuỷ triều chủ yếu dựa vào thông số này.

Để chuyển hoá năng lượng thuỷ triều thành điện năng, thường phải xây dựng các đập chắn ở cửa sông những vùng có biên độ dao động thuỷ triều lớn nhất, sử dụng thế năng (potentiel energy) của thuỷ triều khi ở mức thấp nhất và cao nhất trong ngày (tidal barrage) chuyển thành động năng làm quay tuốc bin máy phát điện. Sản xuất điện từ năng lượng thuỷ triều theo công nghệ này rất gần với sản xuất điện ở các nhà máy thuỷ điện, chỉ khác là nước có thể chảy theo hai hướng, lúc thuỷ triều lên, các cửa cống trên đập được kéo lên, cho phép vùng lưu vực bên trong đập ngập đầy nước. Khi thuỷ triều xuống, các cửa đập được đóng lại, buộc nước bên trong đập thoát ra ngoài biển đi qua hệ thống tuốc bin nước gắn ở bên dưới cửa đập. Hệ thống hoạt động như trên gọi là hệ thống thuỷ triều xuống (Hình 4). Tuy nhiên, cũng có hệ thống hoạt động theo kiểu ngược lại, tức hệ thống hoạt động thuỷ triều lên.

Hệ thống đập chắn của cửa sông để sản xuất điện theo kiểu thuỷ triều xuống.

Ở Anh, dự án nhà máy điện thuỷ triều Severne (Anh) đang được xây dựng với hệ thống đập bắc qua cửa sông Severne; chiều cao của thuỷ triều ở đây đạt 14m, cao đứng hàng thứ hai trên thế giới. Đập thuỷ triều Severne dài 18 km, nối hai bờ giữa Cardif (xứ Wales ) và Brean Down (Anh). Dự án nhà máy điện thuỷ triều Severne khi hoàn thành sẽ có công suất lớn nhất thế giới, 8.600 MW, hàng năm có thể sản xuất 17 tỷ kWh điện năng, cung cấp 5 - 6% nhu cầu điện cho nước Anh và xứ Wales, tương đương với 3 nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới nhất. Ở Pháp, trên sông Rance vùng Bretagne cũng đã xây dựng con đập dài 750m chắn ngang sông, đã lắp đặt 24 tuốc bin, tổng công suất điện 240 MW, cung cấp sản lượng điện hàng năm 600 triệu kWh cho vùng Bretagne. Nhà máy được khánh thành năm 1966, là nhà máy điện thuỷ triều đầu tiên trên thế giới lợi dụng thế năng của mức thuỷ triều cao và thấp đã hoạt động liên tục 40 năm liền cho đến nay.

Năng lượng của các dòng hải lưu (tide stream)

Hải lưu có hầu hết trong các đại dương của trái đất, có thể di chuyển trên độ dài hàng ngàn kilomet và có công suất cực lớn. Các hải lưu bề mặt được di chuyển bởi gió và có xu hướng chảy theo xoắn ốc cùng chiều kim đồng hồ ở Nam Bán cầu. Các hải lưu ngầm dưới sâu chuyển động do sự chênh lệch gradient nhiệt độ và tỷ trọng nước.

Các hải lưu di chuyển với một tốc độ khác nhau. Những hải lưu dưới mặt nước có tốc độ cao, đạt trên 1 m/s (thường từ 2 – 2,5 m/s) được lợi dụng để làm quay tuốc bin phát điện. Những tuốc bin này về cấu tạo cũng tương tự như tuốc bin gió, nghĩa là lợi dụng động năng (hydrokinetic) của hải lưu ngoài đại dương làm quay tuốc bin. Điều đáng lưu ý là, theo công thức tính toán, công suất tuốc bin dưới biển lợi dụng dòng hải lưu tỉ lệ bậc ba với tốc độ của dòng chảy.

Anh là nước tiên phong trong việc triển khai ý tưởng sử dụng tuốc bin như tuốc bin gió để chuyển hoá năng lượng dòng hải lưu thành điện năng. Với sự hỗ trợ của Scottish Nuclear và NEL, năm 1994, IT Power đã thử nghiệm và xây dựng một nguyên mẫu nhỏ tuốc bin loại 2 cánh, công suất 10 kW lắp đặt tại eo biển Corran Narrows thuộc vùng biển Loch Line. Trên cơ sở thành công này, IT Power đã thành lập công ty Marine Current Turbines Ltd. (MCT) để triển khai một phiên bản thiết kế mới của tuốc bin SeaGen được lắp trực tiếp dưới đáy biển. Năm 2002, MCT bắt đầu thử nghiệm một tuốc bin công suất 300 kW, sau đó đã triển khai thương mại hệ tuốc bin 600 kW đã lớn hơn nhằm tiến tới xây dựng một làng tuốc bin dưới đáy biển (turbine farm) với công suất tổng cộng 10 MW. Dưới đây là hình ảnh hệ thống sản xuất điện thuỷ triều bằng tuốc bin dưới đáy biển thương mại đầu tiên trên thế giới SeaGen công suất 1,2 MW nặng 1.000 tấn, được lắp đặt năm 2008 tại Strangford Lough (Bắc Ireland). Tuốc bin SeaGen có 2 rotor, đường kính cánh quạt 16m, tốc độ quay 10 – 20 vòng/ phút, được đặt sâu dưới đáy biển 400m do công ty Marine Current Turbines Ltd chế tạo (hình 5). Theo dự kiến, đến năm 2010 sẽ sản xuất khoảng 300 tuốc bin hàng năm.

Rotor của tuốc bin dưới biển SeaGen chế tạo tại nhà máy Harlan and Wolff có đường kính 16m trước khi lắp đặt dưới biển Ireland.

Các nguồn năng lượng kể trên, trừ hydrat metan, đều là những nguồn năng lượng tái tạo, sẽ được sử dụng vĩnh cửu với quy mô ngày càng tăng.