Đăng ký thành viên

Cân nhắc việc sử dụng các xoáy nước như một phương pháp tối ưu hóa hiệu quả thủy điện

Năng lượng thủy điện thường được coi là xương sống của năng lượng sạch, nhưng nhu cầu cấp thiết phải cải thiện hiệu quả của chúng đang thúc đẩy các kỹ sư khám phá hàng loạt các lựa chọn.

Sản lượng do nhà máy thủy điện phát ra về cơ bản đã đạt mức tối đa (Ảnh st)

Trong số các giải pháp năng lượng thay thế thì gió, mặt trời và hydro chiếm phần lớn sự chú ý. Tuy nhiên, sản lượng kết hợp từ các nguồn này lại không đáng kể so với thủy điện.

Với hơn 4.300TWh trên toàn thế giới, sản lượng thủy điện hàng năm đủ để cấp điện cho toàn bộ nước Mỹ, một đất nước đã tiêu thụ kỷ lục 4.070TWh trong năm 2022, theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA).

Tuy nhiên, đối với một số quốc gia ở Bắc Mỹ và Châu Âu, sản lượng do các nhà máy thủy điện phát ra về cơ bản đã đạt mức tối đa. Ngay cả khi có những địa điểm thích hợp để xây dựng các nhà máy thủy điện mới, nhưng chi phí cao và các mối quan ngại về môi trường nhiều khi trở thành những yếu tố chi phối hạn chế việc mở rộng của chúng. Tuy nhiên, những lợi thế của thủy điện đã khiến các nhà nghiên cứu theo đuổi những cách thực tế để tăng hiệu quả của cơ sở hạ tầng thủy điện hiện có. 

Là một phần của nghiên cứu đó, các kỹ sư đã làm việc để khai thác sức mạnh của các xoáy nước. Không giống như một hệ thống thủy điện thông thường dẫn nước xuống qua đường ống áp lực để trọng lực, lực và áp lực làm quay bánh xe công tác kết nối với tuabin, trong một hệ thống thủy điện kiểu xoáy nước, một hệ thống tạo chuyển động xoay cho nước khi nó đi vào đầu ống dẫn, tạo ra một xoáy nước rất mạnh khai thác không chỉ lực hấp dẫn để tạo ra năng lượng dồi dào. Trong thực tế, tùy thuộc vào thiết kế, các kỹ sư thiết kế các tuabin xoáy nước có thể cải tạo các hệ thống thủy điện hiện có, giúp tăng ít nhất 10% sản lượng.

Hệ thống thủy điện xoáy nước không chỉ khai thác năng lượng từ lực hấp dẫn mà còn từ động năng của chuyển động xoắn ốc (Ảnh st)

Trong khi thủy điện xoáy nước đang chỉ hoạt động ở quy mô nhỏ tại một số quốc gia, các kỹ sư giờ đây đã mở khoá tiềm năng của nó để phát điện thủy điện quy mô lớn.

David Sattler, chuyên gia về kỹ thuật xoáy nước, người đã thiết kế và chế tạo các hệ thống thủy điện xoáy nước quy mô nhỏ đầu tiên, giải thích: “Về cơ bản, điều mà chúng tôi đã thực hiện đầu tiên ở Australia là làm nước quay trong một xilanh trong khi nước chảy xuống sông, tương tự như khi nước chảy xuống cống, để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, khi so sánh một cách thích hợp, điều mà chúng tôi có thể làm bây giờ giống như việc khai thác sức mạnh của một cơn lốc xoáy.”

Thủy điện là “xương sống của năng lượng sạch”

Theo Kịch bản Phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA), phát điện thủy điện sẽ cần duy trì tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm khoảng 4% để cung cấp đủ 5.500TWh điện vào năm 2030. Tuy nhiên, trong 05 năm qua, tốc độ tăng 1/3 so với mức cần thiết, điều này làm nổi bật nhu cầu cấp thiết phải tăng cường các nỗ lực.

Báo cáo tiếp tục nêu rằng chúng ta cần công nhận các nhà máy thủy điện là "xương sống đáng tin cậy của các hệ thống điện sạch" và có biện pháp hỗ trợ tương ứng trong tương lai. Tuy nhiên, các chuyên gia năng lượng cho biết có rất ít cải thiện nhằm tăng đáng kể hiệu quả của chúng.

“Một phần của rắc rối là các nguyên lý đằng sau thiết kế của các hệ thống này đã không hề thay đổi nhiều trong 75 năm nay hoặc lâu hơn”, Sattler giải thích. “Họ đã cải thiện bằng cách giảm ma sát trong đường ống áp lực bằng cách sử dụng teflon (PTFE) và một số tổ máy có thể đã cải thiện hiệu suất thông qua các tuabin, máy phát điện hoặc các thiết bị điện tử tốt hơn nhưng những điều đó chỉ có thể giúp cải thiện một cách có giới hạn.”

Lợi thế của thủy điện

Thủy điện cung cấp một số lợi thế có một không hai khiến nó trở thành một thành phần quan trọng trong quá trình chuyển dịch toàn cầu sang năng lượng sạch. Không giống như các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió và mặt trời, thủy điện phát điện nhất quán và linh hoạt góp phần vào sự ổn định của lưới điện và tăng cường an ninh năng lượng.

Ngoài ra, thủy điện cực kỳ hiệu quả. Trên thực tế, việc chuyển đổi nước thành điện có hiệu suất 90%. Để so sánh, điện mặt trời đạt hiệu suất tối đa khoảng 30-36%, trong khi năng lượng gió dao động trong khoảng 25-45%. Ngay cả than cũng chỉ có hiệu suất 33-40%.

Những lợi thế khác bao gồm:

Sản lượng ổn định: Các nhà máy thủy điện phát ra nguồn cung cấp điện ổn định và liên tục vì ít phụ thuộc vào các yếu tố môi trường bên ngoài như ánh sáng mặt trời hoặc gió.

Tích trữ năng lượng và phản ứng với nhu cầu cao điểm: Các nhà máy có thể nhanh chóng điều chỉnh việc phát điện để đáp ứng nhu cầu cao điểm hoặc bù đắp cho những thăng giáng của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời hoặc gió, vốn gián đoạn hơn.

Vòng đời dài hơn: Với tuổi thọ hoạt động thường vượt quá 50 năm, thủy điện bền hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với tuabin gió và các tấm pin mặt trời.

Ít phát thải và chất thải hơn: Thủy điện phát ra điện ở một trong những mức phát thải và chất thải thấp nhất trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo.

Khoa học đằng sau kỹ thuật xoáy nước

Tuabin xoáy thủy lực có thể bổ sung thêm vào các nhà máy thủy điện mới cũng như tân trang các tổ máy hiện có. (Ảnh st)

“Điều thú vị là trước đây các kỹ sư đã làm việc rất cần mẫn để loại bỏ các xoáy nước trong các hệ thống thủy điện,” Sattler nói thêm. “Đó là những gì chúng tôi đã được dạy ở trường kỹ thuật, nhưng giờ đây một khi đã hiểu được toán học và vật lý, chúng tôi thấy một lượng năng lượng khổng lồ có sẵn khi sử dụng xoáy nước.”

Nhóm của Sattler tại Công ty Marstecs đang tìm cách giúp giải quyết các thách thức về năng lượng trên Trái đất và hơn thế nữa - đã có thể tăng tốc độ dòng chảy khối lượng qua đường ống áp lực lên tới 10%, giúp tăng sản lượng điện mà tuabin có thể thu ở cuối hệ thống. Đồng thời, cũng có thể thu năng lượng bổ sung ở đầu trên đường ống áp lực, khuếch đại thêm sản lượng điện tổng thể.

Sattler nói thêm: "Chúng tôi đã phát hiện ra rằng ngoài cơ năng làm quay tuabin, còn có một sản lượng khổng lồ mà chúng tôi có thể khai thác khi nước chảy xuống qua đường ống áp lực. Điều này đến từ việc kéo tĩnh điện ra khỏi không khí hoặc khí quyển, giống như một hố đen được kiểm soát trên Trái đất."

Có thể bổ sung thêm tuabin xoáy thủy lực vào các nhà máy thủy điện mới cũng như sử dụng nó để tân trang các tổ máy hiện có. Việc xây dựng mới sẽ cho phép đạt hiệu suất cao hơn, mà Sattler tin rằng có thể tăng gấp đôi hoặc thậm chí gấp ba sản lượng điện của một nhà máy thủy điện truyền thống. 

Những thách thức đối với kỹ thuật xoáy nước

Có nhiều thách thức khi cố gắng khai thác sức mạnh của các xoáy nước quy mô lớn. Ví dụ như, vào năm 1980 tại bang Louisiana, một tính toán sai lầm của Texaco Oil đã tạo ra một xoáy nước lớn trên Hồ Peigneur vì trong khi khoan đã xuyên thủng một mỏ muối bên dưới hồ. Xoáy nước này đủ mạnh để hút vào 13 tỷ lít nước cùng với 11 xà lan và một giàn khoan trị giá 5 triệu USD. Trong khi 9 xà lan sau đó đã nổi lên như một chiếc "nút chai bằng sắt" thì những chiếc còn lại không bao giờ được tìm thấy.

“Nguồn năng lượng bạn có thể lấy từ một xoáy nước có tiềm năng là vô tận, nhưng bạn cần phải có khả năng quản lý nó. Bạn cần phải có khả năng bật nó lên, tắt nó đi, làm chậm nó lại hoặc tăng tốc nó, và tất cả những điều đó đều nằm trong tính toán. Vì vậy, nó an toàn như bất kỳ dạng phát năng lượng nào khác”, Sattler kết luận.

Nâng cao hiệu suất thủy điện là thiết yếu để cắt giảm khí nhà kính một cách bền vững và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch, đáng tin cậy trong tương lai. Kỹ thuật xoáy nước là một giải pháp sáng tạo có thể mở đường cho thủy điện hiệu quả hơn, khai thác lợi thế các sức mạnh tự nhiên để tăng sản lượng năng lượng và góp phần tạo nên lưới điện bền vững hơn.

Biên dịch: Bùi Thị Thu Hường

Theo “PEI”, tháng 2/2025