Hình 1- Sự phát triển kích thước và công suất của tuabin gió qua các năm – nguồn: Internet

Điều gì khiến việc khai thác điện gió chưa thực sự hiệu quả?

Năng lượng gió tỷ lệ thuận với lập phương của tốc độ gió trung bình tại vị trí khai thác^[1], tuy nhiên chúng ta đang khai thác ở những nơi chưa thực sự nhiều gió.

Công nghệ móng và trụ đỡ tuabin gió hiện tại chỉ cho phép khai thác ở các vị trí tương đối gần bờ với độ cao khai thác trung bình từ 150m - 180m. Trong khi đó, ở độ cao trên 200m cũng như tại các vị trí xa bờ, tốc độ gió trung bình cao và ổn định hơn, ta chưa thể khai thác.

Hình 2- Mô hình móng và dây neo tuabin gió theo độ sâu của thềm lục địa – Nguồn: Internet

Giải pháp mà các nhà sản xuất lớn vẫn đang theo đuổi hiện nay:

• Chế tạo tuabin gió có kích thước, công suất ngày càng lớn, tối ưu hóa hệ số chuyển đổi năng lượng
• Phát triển công nghệ tuabin nổi (Floating wind turbine) để có thể khai thác được ở khu vực nước sâu

Mô hình tuabin gió có trụ đỡ cố định (fixed tower) đang dần tiệm cận các giới hạn về kỹ thuật và chưa tối ưu được về mặt chi phí, liệu đây có còn là giải pháp tối ưu nhất hiện nay?

Diều năng lượng gió – mô hình tiềm năng khai phóng sức mạnh điện gió?

Hình 3– Mẫu thử nghiệm Makani power M600 – Nguồn: makanipower.com

Ý tưởng loại bỏ trụ đỡ cố định, giải phóng phóng tiềm năng khai thác năng lượng gió “cao và xa” hơn đã xuất hiện từ những năm 70 của thế kỉ 20. Trình độ kỹ thuật hiện tại đã cho phép hiện thực hóa các ý tưởng này. Nguyên lý hoạt động của diều năng lượng gió tương tự tuabin gió truyền thống, nhưng liên kết động (dây diều) cho phép diều năng lượng gió làm được nhiều thứ hơn.

Được giới thiệu lần đầu vào năm 1975, nhưng lý thuyết về diều năng lượng gió hiện đại đều dựa trên công trình nghiên cứu “Crosswind kite power”^[2] của nhà vật lý người Mỹ Miles L. Loyd được công bố vào năm 1980. Dựa trên mô hình diều năng lượng gió không trọng lượng, Miles L. Loyd đã đưa ra các tính toán vật lý để tính được công suất phát điện cũng như đề xuất các mô hình khai thác năng lượng gió khả thi. Chính ông cũng là người đưa ra ý tưởng và định nghĩa về “chế độ nâng/ lift mode” và “chế độ lượn/ drag mode” của diều năng lượng gió để áp dụng trong các mô hình thử nghiệm hiện nay.

Hình 4- Mô hình “lift mode” máy phát được lắp đặt dưới mặt đất, phát điện nhờ lực kéo của diều năng lượng gió – Nguồn: Internet

Hình 5- Mô hình “drag mode” - Tuabin được lắp đặt trên diều năng lượng gió – Nguồn: Internet

“Đồ chơi mới” có thể làm được gì?

Con diều có gắn tuabin mở ra tiềm năng giải quyết được các nhược điểm khai thác năng lượng gió hiện tại:

• Cho phép khai thác ở những độ cao lên đến 500m.
• Giảm giá thành do thiết kế do không cần trụ đỡ cố định và móng chịu lực cồng kềnh, dễ dàng thiết kế móng nổi để khai thác ở khu vực xa bờ có “nhiều gió” hơn.
• Tiết kiệm được chi phí thi công, do không cần sử dụng cẩu có kích thước lớn như thi công lắp đặt tuabin gió truyền thống.

Chưa dừng lại ở đó, điều thú vị là khi diều năng lượng gió đạt một độ cao nhất định sẽ có xu hướng chuyển động theo quỹ đạo tròn, cho phép khai thác phần năng lượng được sinh ra do chuyển động tự do của hệ thống, điều mà các tuabin gió hiện tại với trụ đỡ cố định không thực hiện được.

Hình 6– So sánh giữa diều năng lượng và tuabin gió - Nguồn: www.enerkite.de

Báo cáo phân tích của Tạp chí khoa học và công nghệ hiện đại (International Journal of Current Engineering and Technology) đã so sánh công nghệ diều năng lượng gió với các hình thức khai thác năng lượng tái tạo khác và cho ra kết quả bất ngờ:

• Công nghệ diều năng lượng gió cho phép nâng mật độ phát công suất lên đến 40kW/m2 tại vị trí có tốc độ gió trung bình chỉ 13m/s, cao gấp 150 lần mật độ khai thác công suất của điện mặt trời
• Cùng một công suất 30MW, diều năng lượng gió có khối lượng nhỏ hơn 200 lần so với tuabin gió hiện đại

Tuy nhiên, công nghệ mới luôn tiềm ẩn nhiều rủi ro, ý tưởng vẫn mãi là ý tưởng nếu chưa được thương mại hóa.

Cuộc chạy đua của những công ty khởi nghiệp

Trong các công ty khởi nghiệp trong ngành điện gió, nổi bật nhất là Makani Power. Đây là một starup của Mỹ được thành lập từ năm 2006, được công ty mẹ của Google là  Alphabet đầu tư 15 triệu USD. Công nghệ của Makani Power sử dụng “chế độ lượn/ drag mode/ onboar generator”. Mẫu thử nghiệm M600 có công suất lên đến 600kW đã bay thử trên bờ thành công vào tháng 12/2016, bay thử xa bờ thành công vào tháng 08/2019.

Bay thử xa bờ mẫu thử nghiệm M600 tại Nauy, tháng 08/2019 – Nguồn: makanipower.com

Công ty “Enerkite” - startup của Đức - từ năm 2010 cũng đã có mô hình thử nghiệm sử dụng “chế độ nâng/ lift mode” và mô hình con Yo-yo. Họ đang cung cấp các mẫu thử thương mại có công suất lên đến 500kW.

Giới thiệu nguyên lý hoạt động EnerKítes, 2017 – Nguồn: www.enerkite.de

Nhằm tạo sân chơi đủ lớn cho các tổ chức nghiên cứu trên thế giới, năm 2015, dưới sự tài trợ của Liên minh châu âu EU, Tổ chức AWESCO (Airborne Wind Energy System Modelling, Control and Optimisation) được thành lập. Mục đích là thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào khai thác thương mại, cung cấp các mã nguồn mở và công bố các kết quả nghiên cứu. Bước đầu, các nghiên cứu đã đạt dược những kết quả nhất định và có nhiều hướng phát triển trong tương lai không xa.

Hình 7–  Ý tưởng kết hợp diều năng lượng gió kết hợp trụ đỡ thép – Nguồn: Internet

Hình 8–  Mô hình multi-kites – Nguồn: AWESCO

Hình 9– Mô hình hệ thống kéo dây diều kết hợp máy phát điện – Nguồn: AWESCO

Đánh giá một cách khách quan, có thể nói công nghệ này tuy tiềm năng nhưng cũng còn nhiều thách thức: làm sao để tối ưu hóa về mặt hiệu suất, hệ thống điều khiển chế độ bay, giảm thiểu rủi ro “rơi” diều… từ đó cho phép xây dựng hệ thống có công suất lớn và thương mại hóa.

Trong bối cảnh quỹ đất ngày càng thu hẹp, nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, “món đồ chơi” này đang là một trong những sáng tạo đắt giá của ngành năng lượng tương lai.

Thực hiện: Nguyên Phạm

Tham khảo:

[1] Bài viết: “Năng lượng gió: Những vấn đề kỹ thuật” - nangluongvietnam.vn

[2] Bài viết: “Crosswind kite power” - Wikipedia

[3] Báo cáo phân tích: “Energy Kite, a breakthrough wind generator: an Overview” - INPRESSCO