CSDL Ngành điện

Giải pháp năng lượng dưới đáy biển

09/10/2025 22:05 Số lượt xem: 24

Dự án StEnSea cách mạng hóa việc tích trữ năng lượng dài hạn bằng cách áp dụng các nguyên lý của thủy điện tích năng cho các môi trường dưới đáy biển.

Ứng dụng StEnSea (Ảnh st)

Viện Kinh tế Năng lượng và Công nghệ Hệ thống Năng lượng Fraunhofer IEE của Đức đã phát triển một hệ thống tích trữ năng lượng dưới nước, chuyển nguyên lý của các nhà máy điện tích năng xuống đáy biển. Sau một thử nghiệm thực địa thành công với một mô hình nhỏ hơn ở Hồ Constance, các nhà nghiên cứu hiện đang chuẩn bị chạy một thử nghiệm ngoài khơi bờ biển California (Mỹ) với các đối tác của mình.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển Dự án StEnSea (Tích trữ năng lượng dưới biển) từ năm 2012. Tổ chức nghiên cứu Fraunhofer IEE (Đức) đang cộng tác với Công ty khởi nghiệp Sperra của Mỹ (chuyên về in bê tông 3D cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo) cùng với Công ty Pleuger Industries (Đức) để chế tạo các máy bơm động cơ ngầm dưới nước, một thành phần chính của kho tích trữ hình cầu StEnSea. Các đối tác đã chọn một khu vực ven biển ngoài khơi thành phố Long Beach gần Los Angeles làm địa điểm tích trữ và có kế hoạch đưa vào hoạt động chậm nhất là vào cuối năm 2026.

Dự án StEnSea sẽ neo một quả cầu rỗng bằng bê tông, nặng 400 tấn, đường kính 9m ở độ sâu 500m-600m. Hệ thống tích trữ nạp năng lượng bằng cách rút nước ra khỏi quả cầu. Khi cho nước chảy trở lại, hệ thống phát điện và xả năng lượng từ quả cầu. Nguyên mẫu này có công suất 0,5MW và dung lượng 0,4MWh.

Bộ Kinh tế và Hành động Khí hậu Liên bang Đức đang tài trợ cho dự án này với gần 3,4 triệu Euro, cùng với khoảng 4 triệu USD từ Bộ Năng lượng Mỹ.

Sperra sẽ chế tạo quả cầu bê tông tại thành phố Long Beach bằng quy trình in 3D, có thể kết hợp với kết cấu bê tông truyền thống. Nó sẽ có một lỗ mở ở phía trên, nơi tích hợp một tuabin bơm trong một đường ống. Khi van mở, nước chảy qua đường ống vào quả cầu. Máy bơm tích hợp chạy theo chiều ngược lại và hoạt động như một tuabin. Nước làm động cơ quay và phát ra điện. Nhờ đó giải phóng năng lượng tích trữ.

Giáo sư, Tiến sĩ Horst Schmidt-Böcking và Tiến sĩ Gerhard Luther đưa ra ý tưởng này từ năm 2011 và trực tiếp phát triển nó. Một sợi cáp ngầm kết nối với lưới điện trên đất liền hoặc với một trạm biến áp nổi của một trang trại gió ngoài khơi. Để tích trữ năng lượng, máy bơm động cơ bơm nước ra khỏi quả cầu chống lại áp suất của cột nước xung quanh. Chu trình này sau đó có thể bắt đầu lại. Trong một thử nghiệm thực địa với một quả cầu đường kính 3m ở Hồ Constance, các nhà nghiên cứu của Fraunhofer IEE và các đối tác cho biết họ đã chứng minh được rằng ý tưởng này hoạt động tốt.

Quả cầu bê tông trong ứng dụng StEnSea (Ảnh st)

Sạc: Một tuabin bơm chạy bằng điện bơm nước ra khỏi quả cầu. Phóng điện: Nước chảy ngược vào quả cầu rỗng làm cho bơm tuabin vận hành như một tuabin, quay máy phát và tạo ra điện.

Độ sâu lý tưởng

Dung lượng và tính năng của bể chứa hình cầu phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: Thể tích của các quả cầu và cột nước ép lên chúng. Các chuyên gia của Fraunhofer IEE đã tính toán rằng độ sâu của nước từ 600m đến 800m là những vị trí lý tưởng theo quan điểm kinh tế. Ở đó, các tham số như áp suất, trọng lượng quả cầu cần thiết và chiều dày thành cần thiết có tỷ lệ tối ưu với nhau. Hơn nữa, các máy bơm động cơ dưới nước thông thường vẫn có thể sử dụng ở độ sâu này. Bê tông đặc biệt cường độ cao cũng không cần thiết ở đây.

Có không ít các vị trí tiềm năng cho kho tích trữ hình cầu StEnSea ở độ sâu này, như một phân tích hệ thống thông tin địa lý (GIS) về các vùng biển ven bờ cho thấy. Các chuyên gia IEE của Fraunhofer đã tính đến các tham số như độ dốc đáy, dòng chảy, sự dịch chuyển trầm tích hoặc khoảng cách đến đất liền. Ví dụ, ngoài khơi bờ biển Na Uy, Bồ Đào Nha, Bờ Đông và Bờ Tây nước Mỹ, Brazil hoặc Nhật Bản, có thể lắp đặt kho tích trữ hình cầu với số lượng lớn. Công nghệ này cũng phù hợp với các hồ tự nhiên hoặc nhân tạo sâu, chẳng hạn như các mỏ lộ thiên ngập nước.

Fraunhofer ước tính tiềm năng tích trữ toàn cầu của công nghệ này là 817.000GWh. Tại mười địa điểm tốt nhất ở châu Âu, con số này vẫn là 166.000GWh. Để so sánh, công suất của các nhà máy thủy điện tích năng hiện có trên đất liền ở Đức chỉ là dưới 40GWh. Các nhà nghiên cứu IEE của Fraunhofer ước tính chi phí tích trữ vào khoảng 4,6 cent cho mỗi kWh, chi phí đầu tư là 1354 Euro cho mỗi kWh điện và 158 Euro cho mỗi kWh công suất. Tuổi thọ của quả cầu bê tông là 50 đến 60 năm, với các tuabin bơm và máy phát điện cần thay thế sau mỗi 20 năm.

Hiệu suất trên toàn bộ chu kỳ tích trữ thấp hơn một chút so với nhà máy thủy điện tích năng thông thường, ở mức 75% đến 80%. Tính toán này dựa trên một công viên tích trữ có sáu quả cầu, tổng công suất điện là 30MW và dung lượng là 120MWh, với 520 chu kỳ tích trữ mỗi năm. Tích trữ hình cầu StEnSea đặc biệt phù hợp với hai mô hình kinh doanh: để kinh doanh chênh lệch giá, tức là mua điện với giá thấp và bán với giá thị trường cao và để cung cấp các dịch vụ phụ trợ nhằm ổn định lưới điện.

Thử nghiệm thực địa thành công tại Hồ Constance (Ảnh st)

Mở rộng quy mô công nghệ

Sau khi thử nghiệm thành công tại Hồ Constance, bước tiếp theo là thử nghiệm ứng dụng ở vùng nước sâu trong điều kiện ngoài khơi với dự án mới này. Mục tiêu là khảo sát và đánh giá tất cả các bước trong quá trình chế tạo, lắp đặt, vận hành và bảo trì liên quan đến kích thước dự kiến của quả cầu.