Khai thác các hệ thống cấp nước đô thị để tăng trưởng thủy điện tác động thấp

Đường ống cấp nước (Ảnh st)

Thủy điện đường ống là một dạng thủy điện tác động thấp sử dụng cơ sở hạ tầng nước hiện có, chẳng hạn như các kênh đào hoặc đường ống, để thu hồi năng lượng mà nếu không khai thác sẽ bị lãng phí. Các đường ống nông nghiệp dẫn nước tưới qua các vùng rộng lớn của Mỹ, trước tiên là ở miền tây, và rất phù hợp để thu hồi năng lượng thủy động trong dòng chảy hoặc để thu hồi năng lượng thủy điện tiềm năng ở những nơi có áp suất dư thừa. Các cấu trúc hạ thấp mực nước trong các kênh tưới là những ứng cử viên phù hợp cho loại hình phát triển thủy điện này và đã được cải tạo tại nhiều địa điểm trong vài thập kỷ qua.

Mặt khác, các đường ống nước đô thị và công nghiệp, cấp nước cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm cả những mục đích trong Hình 1. Các hệ thống công nghiệp có thể bao gồm nhiều cơ sở khác nhau, bao gồm các nhà máy nhiệt điện và các hoạt động khai khoáng. Các hệ thống đô thị bao gồm các cơ sở cấp nước cho mục đích dân sự, bao gồm nước thô từ một nguồn nước tự nhiên hoặc nhân tạo đến một cơ sở xử lý nước, nước đã qua xử lý cung cấp cho các khách hàng sinh hoạt hoặc thương mại và nước chảy ra từ một cơ sở xử lý nước thải trước khi trở lại một nguồn nước tự nhiên hoặc nhân tạo khác.

Hình 1. Bản phác thảo khái niệm về một hệ thống phân phối nước, bao gồm các kênh/đường ống và các vị trí phát triển thủy điện tiềm năng (Ảnh st).

Bài viết này tập trung vào phát triển thủy điện dùng cho các đường ống cấp nước đô thị, mở rộng từ việc chuyển hướng nguồn nước ban đầu đến người dùng sinh hoạt hoặc thương mại. Các cơ hội cho hình thức thủy điện này bao gồm khai thác tiềm năng thủy điện dọc theo các đường ống cấp phục vụ các nhà máy xử lý nước và trong mạng lưới phân phối. Người ta sử dụng các van giảm áp (PRV) để giảm áp suất nước đầu vào xuống mức phù hợp, an toàn để duy trì chức năng dịch vụ. Các PRV này là mục tiêu chính cho phát triển thủy điện, vì năng lượng bị tiêu tán bởi các thiết bị này có thể thu hồi bởi một tuabin quay để phát ra năng lượng tái tạo.

Thủy điện hiện có và tiềm năng từ các hệ thống cấp nước công cộng

Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) đã tiến hành nghiên cứu thủy điện ống dẫn trong hơn một thập kỷ nay. Công việc tiếp theo về các cơ hội phát triển và thách thức bắt đầu thông qua một nghiên cứu thí điểm ban đầu dùng để đánh giá tiềm năng phát triển ở các bang Colorado và Oregon, hoàn thành năm 2018, sau đó dẫn đến một đánh giá nguồn lực rộng lớn hơn, hoàn thành vào năm 2022. Kể từ thời điểm đó, các nỗ lực nghiên cứu tiếp theo đã mang lại thêm nhiều hiểu biết sâu sắc.

Theo bộ dữ liệu Tài sản Thủy điện Hiện có năm 2024 của ORNL, có 338 nhà máy thủy điện đang hoạt động dưới dạng kênh đào hoặc đường ống, và các nhà máy này có tổng công suất lắp đặt là 836MW. Trong số này, ước tính có 217 dự án, tổng cộng là 337MW, thuộc danh mục cấp nước công cộng đô thị. Mặc dù thủy điện đường ống đô thị đã tồn tại trong một thời gian, nhưng các cơ sở liên quan tương đối mới hơn so với toàn bộ các nhà máy.

Bộ dữ liệu Đường ống phát triển thủy điện 2024 của ORNL theo dõi các dự án thủy điện trong giai đoạn xin cấp phép/cấp phép/miễn trừ và vẫn chưa phát triển. Trong bộ dữ liệu này liệt kê 25 dự án là "đường ống" và ước tính rằng 15 dự án (tổng cộng 68,2MW) đang được giải quyết cho các hệ thống cấp nước đô thị. Trong số này, hai dự án có công suất tổng là 61,5MW, và không có dự án nào khác có công suất trên 1MW. Do đó, phần lớn các dự án thủy điện đường ống được đề xuất cho các hệ thống cấp nước công cộng đều có quy mô nhỏ. Trong số 15 dự án đang phát triển, có hai dự án ở bang Alaska, năm dự án ở bang California, bốn dự án ở bang Colorado và bốn dự án ở bang Oregon.

Để đánh giá cơ hội thủy điện ống dẫn mới, một nghiên cứu năm 2022 do Văn phòng Công nghệ Điện nước (WPTO) của Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ và do ORNL dẫn đầu tập trung vào việc ước tính tiềm năng trên khắp nước Mỹ. Kết quả cho thấy có thể thu được khoảng 1.414MW điện trong các đường ống nước đô thị, nông nghiệp và công nghiệp. Trong số nguồn lực chưa khai thác này, ước tính có 374MW có sẵn từ các đường ống đô thị (xem Hình 2). Trong phần này, 337MW (90%) đến từ các hệ thống cấp nước công cộng và phần còn lại đến từ các hệ thống nước thải.

Hình 2. Bản đồ tiềm năng thủy điện đường ống đô thị theo từng bang (Ảnh st)

Xác định những thách thức và thiết lập cơ sở kiến ​​thức

Nguồn tài trợ WPTO gần đây cho ORNL đã hướng đến việc nhận dạng các thách thức, thiết lập một cơ sở kiến ​​thức sâu hơn và hỗ trợ phát triển thủy điện đường ống. Để đạt mục tiêu này, ORNL đang cộng tác với Small Hydro Consulting (Mỹ), công ty tư vấn kỹ thuật có kinh nghiệm về thủy điện ống dẫn và các hình thức thủy điện khác, đặc biệt là ở quy mô nhỏ. Trong năm đầu tiên, các hoạt động chính bao gồm tổ chức hội thảo trực tuyến với tất cả các lĩnh vực thủy điện ống dẫn, cũng như phát triển các nghiên cứu điển hình và phân tích chi phí liên quan đến lĩnh vực cấp nước đô thị.

Mặc dù quy trình phê duyệt của Ủy ban Quản lý Năng lượng Liên bang đã rút ngắn 45 ngày đối với các ống dẫn đủ điều kiện, nhưng vẫn còn những rào cản về mặt quy định. Về mặt phân tích, người ta thấy sự khác biệt về mức độ thách thức nhận thức được giữa các loại bên liên quan khác nhau đối với các chủng loại khác nhau. Điều này thể hiện trong Hình 3, trong đó mức 1 là "hoàn toàn không thách thức" và mức 5 là "rất thách thức".

Hình 3. Mức độ thách thức theo giai đoạn phát triển và loại bên liên quan đối với thủy điện đường ống đô thị/công nghiệp (ảnh st)

Mặc dù người ta vẫn đang phát triển các nghiên cứu tình huống, ý tưởng chung là tóm tắt một dự án bằng cách trình bày tổng quan về chủ sở hữu/công ty công ích, hồ sơ địa điểm, đánh giá khả thi, các cân nhắc về phát triển, bài học kinh nghiệm và hồ sơ cộng đồng. Loại thông tin này cung cấp một hình ảnh nhanh về một dự án có thể dùng để giáo dục các bên liên quan và đóng vai trò là nền tảng để tiến hành thu hút các bên liên quan trong tương lai. Mặc dù cách tiếp cận này đang được phát triển cho các dự án hoạt động, các thông tin tương tự có thể phát huy lợi thế để đánh giá các dự án đề xuất, với điều kiện là có thông tin liên quan. Hơn nữa, ORNL hy vọng sẽ cộng tác với một hoặc nhiều bên liên quan để phân tích tiềm năng hệ thống cho cơ hội thủy điện đường ống dẫn của thành phố.

Người ta đang thực hiện một phân tích chi phí để hiểu rõ hơn về chi phí phát triển thủy điện đường ống. Mô hình chi phí cơ sở năm 2023 của ORNL là một mô hình kinh nghiệm dùng để ước tính chi phí của tất cả các loại thủy điện, bao gồm các dự án kênh đào/đường ống. Mô hình này đã được thử nghiệm với các chi phí dự án đường ống đô thị mới phát triển và hoạt động khá tốt. Mô hình này thường cung cấp giới hạn dưới cho chi phí dự án dự kiến, ​​và phân bổ chi phí theo quy mô (tức là các dự án nhỏ hơn có chi phí trên mỗi kW cao hơn các dự án lớn hơn), mặc dù các yêu cầu bổ sung cụ thể tại địa điểm có thể tạo ra những chi phí vượt quá chi phí mô hình. Hình 4 cung cấp sơ đồ về chi phí thực tế so với chi phí mô hình cho 14 dự án đường ống đã lập kế hoạch và xây dựng gần đây, thể hiện các đường xu hướng phương trình công suất.

Hình 4. So sánh chi phí dự án thủy điện đường ống đô thị thực tế và mô hình (Ảnh st)

Hướng tới các công cụ và tài nguyên mới

Có nhiều nguồn lực khác nhau để hỗ trợ phát triển thủy điện đường ống. Các tài liệu hiện tại cung cấp các viễn cảnh cho phát triển trong nước, và khái niệm thủy điện đường ống cho các hệ thống cấp nước là một công nghệ tác động thấp với nhiều lợi ích. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt liên quan đến giáo dục và nhận thức của các bên liên quan, bao gồm các thành phố, công ty công ích và người dân nói chung. Do đó, ORNL đang hợp tác với WPTO để xác định các nỗ lực nghiên cứu trong tương lai. Trong khi tinh chỉnh các chi tiết, ORNL hy vọng rằng việc tiếp cận và thu hút các bên liên quan chặt chẽ hơn sẽ là chìa khóa để đẩy nhanh quá trình phát triển. Những hiểu biết sâu sắc hơn về các thông lệ tốt nhất cũng có thể hữu ích. Ngoài ra, đánh giá tính khả thi trên các vùng khác nhau của Mỹ sẽ hỗ trợ cho việc ra quyết định.

Mặc dù thủy điện đường ống thực sự nhỏ, nhưng nó có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng tái tạo đáng tin cậy và ít tác động ngay bây giờ và trong tương lai. Vì nó phát huy lợi thế của cơ sở hạ tầng hiện có mà không gây gián đoạn môi trường, thủy điện đường ống đô thị cung cấp một giải pháp hợp lý để cung cấp các giải pháp năng lượng thông minh. Dư địa cho sự đổi mới trong không gian này và những đột phá công nghệ bổ sung có thể cải thiện việc triển khai thủy điện đường ống.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “hydroreview”, tháng 8/2024