Bài giảng Năng lượng đại dương

NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG

Giảng viên: TS. Lê Thị Minh Châu

NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG

Tổng quan

1 Năng lượng thủy triều

2 Năng lượng sóng biển

3 Năng lượng nhiệt đại dương

4 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG

1. Tổng quan về năng lượng đại dương

Năng lượng đại dương là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận trong sản xuất điện năng sử dụng cho thế giới

Năng lượng sóng

Năng lượng thủy triều

Năng lượng đại dương

Năng lượng nhiệt đại dương

Một số dạng năng lượng khác

2. CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG

2.1. Năng lượng sóng đại dương

❖Sự hình thành sóng đại dương

• Xa bờ, chiều dài thân sóng ngắn, chiều cao sóng thấp. Tốc độ đỉnh sóng cao

Sóng gợn

• Bước sóng, chiều cao sóng tăng dần.

Tốc độ sóng giảm dần

Sóng tới

• Sườn sau dịch chuyển nhanh hơn sườn

trước, làm tăng chiều cao sóng.

Sóng vỗ

2.1. Năng lượng sóng đại dương

❖Sự hình thành sóng đại dương

2.1. Năng lượng sóng đại dương

❖Tiềm năng sóng đại dương

▪ Sóng biển chứa đựng nguồn năng lượng rất lớn. Từ hơn 100 năm trước đây, con người đã dùng sóng biển để phát điện.

▪ Tổng tiềm năng năng lượng sóng lý thuyết được ước tính vào năm 2010 là 32.000 TWh/năm (gần gấp đôi tổng sản lượng điện năng toàn cầu cung cấp trong năm 2008 (16.800 TWh/năm).

2.1. Năng lượng sóng đại dương

❖Tiềm năng sóng đại dương

Đóng góp của năng lượng sóng đại dương trong hoạt động sáng chế, cải tiến và áp dụng sản xuất điện (nguồn: Patent Cooperation Treaty – PCT)

2.1. Năng lượng sóng đại dương ❖Nguyên lý: Lợi dụng sự vận động của nước biển do gió thổi tạo thành sóng nhấp nhô trên mặt biển để chuyển đổi động năng đó thành điện

Bản đồ phân bố công suất điện mà sóng biển có thể tạo ra.

Năng Lượng Sóng Biển

4.1Thiết bị Pelamis

➢ Pelamis neo ở độ sâu chừng 50–70m; cách bờ dưới 10km, là nơi có mức năng lượng cao trong các con sóng.

➢ Pelamis gồm ba modul biến đổi năng lượng, mỗi modul có hệ thống máy phát thủy lực - điện đồng bộ.

➢ Mỗi thiết bị pelamis có thể cho công suất 750kW, nó có chiều dài 140-150m, có đường kính ống 3-3,5m.

➢ Tại Bồ Đào Nha, có hệ thống pelamis đầu tiên trên thế

giới, gồm 3 pelamis có công suất 2,25MW.

➢ Năm 2007, Scotland đã đặt 4 thiết bị pelamis công

suất tổng đạt 3MW, với giá thành 4 triệu bảng.

Cấu Tạo Của Modul Biến Đổi Năng Lượng

Năng Lượng Sóng Biển

Hệ Thống Phao Tiêu AquaBuOY

➢ AquaBuOY là một hệ thống phao nổi, có nguyên lý hoạt động nhằm biến đổi năng lượng động học của chuyển động thẳng đứng do các đợt sóng biển tạo ra năng lượng điện sạch.

Hệ Thống Phao Tiêu Nổi AquaBuOY

➢ Nhờ việc trồi lên, ngụp xuống của sóng biển làm hệ thống phao nổi dập dềnh lên xuống mạnh làm hệ thống xilanh chuyển động, tạo ra dòng điện. Điện dẫn qua hệ thống cáp ngầm đưa lên bờ, hòa vào lưới điện.

➢ Mỗi phao tiêu có thể đạt công suất tới 250kW, với đường kính phao 6m. Nếu trạm phát điện có công suất 10MWchỉ chiếm 0,13 km2 mặt biển.

12 12

Năng Lượng Sóng Biển

4.2 Hệ Thống Phao Tiêu AquaBuOY

➢ Ngoài ra trên các Aqua BuOY, đặt các tấm pin mặt trời, turbin gió nhỏ nhằm tạo ra nguồn điện năng cho các thiết bị chuẩn đoán gắn trong Aqua BuOY. ➢ Tất cả dữ liệu về thiết bị đều được truyền bằng công nghệ không dây, vệ tinh về khu vực điều hành. Hệ thống Aqua BuOY thường lắp đặt cách bờ chừng 5km ở nơi biển có độ sâu 50m.

➢ Năm 2006, dự án 8 00kW, ở Makar

Hệ Thống Phao Tiêu Nổi AquaBuOY

Bay, Wahington, đã thực hiện với giá thành 3 triệu đô la, nó cung cấp điện cho 150 hộ gia đình.

Năng Lượng Sóng Biển

4.3 Hệ Thống Phao Chìm AWS

➢ Do Công ty AWS Ocean Eneny, Scotland phát

minh vào năm 2008.

➢ Khác với những hệ thống đang tồn tại. Đó là hệ thống phao tiêu nằm chìm dưới mặt nước, nên không bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu trên mặt biển.

➢ Hệ thống phao tiêu ngầm giống như những quả ngư lôi dưới mặt nước biển chừng 50 mét mà vẫn tạo ra điện năng nhờ sóng biển.

➢ Hệ thống tạo ra năng lượng nhờ sóng biển từ xa, qua các biến thiên áp suất sinh ra do biến đổi của cột nước.

Hệ Thống Phao Chìm AWS

Năng Lượng Sóng Biển

4.3 Hệ Thống Phao Chìm AWS

➢ Hệ thống phao tiêu AWS là một xi lanh dài 35 mét, rộng 10 mét chứa khí nén bên trong khiến phao không chìm, nửa trên chỉ chuyển động theo chiều thẳng đứng.

➢ Khi sóng lướt qua, sự tăng khối lượng nước làm gia tăng áp suất cột nước và phần bên trên hệ thống bị đẩy xuống dưới. Giữa hai đợt sóng, cột nước hạ xuống, áp suất hạ theo làm nổi lên phần trên của hệ thống.

Hệ Thống Phao Chìm AWS

➢ Chuyển động bơm biến thành điện năng. Điện được chuyển tải qua cáp ngầm, lên hòa vào lưới điện quốc gia

Năng lượng Sóng Biển

4.4 Thiết Bị Kiểu Anaconda (Con Rắn)

➢ Anacondaa là công nghệ có ưu thế về giá thành thấp, lại tạo ra

nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường.

* Công nghệ Anaconda được mô tả như sau

➢ Một ống cao su dài khoảng 200 mét, hai đầu bịt kín, bên trong

chứa đầy nước. Được neo ngay dưới bề mặt nước biển, một đầu hứng lấy các đợt sóng.

➢ Sóng đập vào một đầu của thiết bị tạo sức ép hình thành nên

“sóng phình” (do áp lực chất lỏng do động lên xuống bởi sóng, trong mỗi ống) bên trong ống.

Kiểu Anaconda

➢ Khi có sóng phình chạy qua ống, đợt sóng biển tạo ra nó chạy dọc phần ngoài của ống cùng một tốc độ, tạo thêm sức ép lên ống, khiến sóng phình ngày càng lớn hơn. Liền đó sóng phình làm quay turbin nằm ở đầu còn lại của ống cao su. Năng lượng (điện) được tạo ra thì chuyển lên bờ qua cáp ngầm.

➢ Ống cao su, rất nhẹ, không cần khớp nối, không, chi phí bảo trì,

hỏng hóc gần bằng không.

Năng Lượng Sóng Biển

5 Tàu Thu Năng Lượng

➢ Hệ thống tái tạo năng lượng từ sóng mới bao gồm các phao nổi và hàng loạt cánh tay. Khi những chiếc phao lắc lên lắc xuống trên sóng thì những cánh tay cũng làm việc tương tự để thu năng lượng.

➢ Năng lượng thu được sau đó sẽ tích vào hệ thống ắc quy trên tàu. Khi tàu cập bến, năng lượng sẽ được đưa lên lưới điện trong giờ cao điểm.

➢ Theo ước tính hệ thống có thể tạo ra điện với chi phí 15 cent cho mỗi KW trong khi đối với hệ thống cũ là từ 30 đến 65 cent.Tất nhiên nguồn năng lượng sẽ được ưu tiên sử dụng cho động cơ tàu hay những động cơ kéo tàu.

2.1. Năng lượng sóng đại dương ❖Thiết bị chuyển đổi sóng gần bờ

▪ Trạm biến đổi OWC (Oscillating Water Column)

2.1. Năng lượng sóng đại dương ❖Tình hình phát triển:

Sản lượng điện từ sóng biển của các nước theo từng năm

2.1. Năng lượng sóng đại dương

❖Dự kiến tương lai

2.2 Năng lượng thủy triều ❖Sự hình thành thủy triều và năng lượng thủy

triều

Thủy triều là hiện tượng nước dâng lên, hạ xuống dưới

tác động của Mặt trăng, Mặt trời hay các hành tinh khác.

2.2 Năng lượng thủy triều

Các phương pháp chuyển đổi năng lượng thủy triều

Đập chắn thủy triều

Hàng rào thủy triều

Sử dụng turbine điện thủy triều

2.2 Năng lượng thủy triều

❖ Đập chắn thủy triều

Đập thủy triều thực chất lấy nguyên tắc hoạt động của thủy điện. Lấy độ chênh lệch thế năng và động năng của nước để làm quay tuabin-máy phát.

Nguyên lý phương pháp sử dụng đập chắn thủy triều

2.2 Năng lượng thủy triều

❖Hàng rào thủy triều

Thực chất đó là những bức tường bê tông rỗng có gắn các turbine khổng lồ, chắn ngang một eo biển, buộc dòng nước phải đi qua chúng.

• Các dòng thủy triều đi qua, làm quay turbine, dẫn động làm quay máy phát, sinh ra điện.

• Có thể được sử dụng trong các lưu vực không giới hạn, như eo liền và một hòn biển giữa đất đảo gần kề hoặc giữa hai hòn đảo.

Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng hàng rào thủy triều

2.2 Năng lượng thủy triều

❖ Phương pháp sử dụng turbine điện thủy triều

• Nguyên lý hoạt động của turbine điện thủy triều tương tự như turbine gió. Các turbine điện thủy triều được sắp xếp thành từng hàng dưới mặt nước biển. Hiệu suất của turbine cao nhất khi dòng triều có vận tốc từ hải lý/h). Với tốc độ đó, một turbine có bán kính quét 15m có thể sinh ra sản lượng điện tương đương với turbine gió có bán kính 60m.

• Vị

trí

lý tưởng để xây dựng turbine điện thủy triều là các khu vực gần bờ biển.

2.2 Năng lượng thủy triều

• Hệ thống Limpet

Các hệ thống điện thủy triều điển hình

• Hệ thống Tidal Stream

2.2 Năng lượng thủy triều

❖Hệ thống Limpet Nguyên lý hoạt động của hệ thống Limpet như sau:

• Khi nước triều dâng lên, nước dâng theo trong khoang của hệ thống, làm cho không khí tràn qua cánh turbine làm turbine quay, sinh ra điện.

• Khi nước triều rút, nước trong khoang hạ thấp. Không khí từ bên ngoài tràn vào khoang, làm cánh turbine quay, sinh ra điện.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Limpet

• Turbine được thiết kế sao cho khi nước triều dâng lên và rút đi, chuyển động quay của turbine là cùng một chiều quay.

2.2 Năng lượng thủy triều

❖Hệ thống Tidal Stream Hệ thống hoạt động dựa trên phương pháp turbine thủy triều.

• Cấu tạo: 4 turbine gắn vào 1 phao có thể lên xuống được giữ cố định ở vị trí đặt thông qua một chân đế và cánh tay giữ. • Hoạt động: turbine vẫn hoạt động như turbine gió. Nhưng đặc biệt là cánh tay có thể di chuyển để đón dòng thủy triều chảy mạnh nhất.

Hệ thống Tidal Stream

2.2 Năng lượng thủy triều ❖Ưu điểm của năng lượng thủy triều

✓ Không cần nhiên liệu để duy trì, miễn phí. ✓ Không gây ô nhiễm, ✓ Độc lập với thời tiết và biến đổi khí hậu. ✓ Hiệu suất cao hơn turbine gió, do khối lượng riêng của

nước lớn hơn không khí.

✓ Có khả năng bảo vệ cùng bờ biển một phẩn khỏi các cơn

bão.

✓ Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, góp phần

đảm bảo an ninh năng lượng thế giới.

2.2 Năng lượng thủy triều ❖Nhược điểm của năng lượng thủy triều

➢ Chi phí đầu tư và bảo trì cao: Để xây dựng và duy trì 1

cơ sở có công suất 1085MW cần đến chi phí khoảng 1,2

tỷ USD.

➢ Cản trở giao thông đường thủy và đời sống hoang dã.

➢ Công nghệ chưa phát triển đầy đủ.

➢ Thời gian cung cấp năng lượng trong ngày chỉ kéo dài

khoảng 10h, trong khoảng thời gian thủy triều thực sự

hoạt động.

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG ❖Nguồn gốc năng lượng nhiệt đại dương

tập trung chủ yếu tại

Khoảng 15% tổng lượng năng trời chiếu lên bề mặt lượng mặt Trái đất được các đại dương hấp thụ lại dưới dạng năng lượng nhiệt, lớp trên. Độ chênh lớn nhất có thể đển 20 – 25 độ C

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG ❖Nguồn gốc năng lượng nhiệt đại dương

32 2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG ❖Phương pháp chuyển đổi năng lượng nhiệt đại

dương

Vận dụng độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước biển trên bề mặt và dưới sâu để chuyển đổi thành điện năng.

Nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu ở biển nhiệt đới và cận nhiệt đới chênh lệch nhau có thể tới 250C. Đây là nguồn năng lượng cực kỳ to lớn mà con người muốn khai thác sử dụng. Theo các nhà khoa học thi tiềm năng của loại năng lượng này có thể khai thác ước tính đến 50 tỷ kWh.

Nguyên lý biến chênh lệch nhiệt độ nước đại dương thành điện đó là: sử dụng các chất có điểm sôi thấp làm môi giới như NH3, He… trong máy làm bốc hơi.

Do tác dụng của nước biển nóng trên 250C, các

chất môi giới này ở trạng thái lỏng sẽ bốc hơi, tạo ra áp lực lớn dưới dạng khí và đi qua đường ống, làm quay máy phát điện.

Khí đó tiếp tục đi qua bộ phận ống khí, chất môi

giới áp thấp đi vào máy lạnh ngưng kết. Ở trong máy lạnh ngưng kết chứa nước biển dưới sâu có nhiệt độ 50C, khiến cho chất khí môi giới này lạnh đi và qua máy nén, nó trở thành trạng thái lỏng, rồi chất lỏng này trở lại máy bốc hơi và sự tuần hoàn cứ diễn ra liên tục như vậy.

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG ❖Chuyển đổi bằng phương pháp lắp đặt trên

mặt đất

▪ Vị trí xây dựng OTEC trên bãi đã ngầm hoặc nơi có

thềm lục địa cực dốc.

▪ Land-based OTEC không đòi hỏi hệ thống neo phức

tạp, đường dây cáp điện dài, chi phí cao để bảo trì ở

môi trường đại dương.

▪ Ngoài ra vị trí lắp đặt này có thể kết hợp với các cụm

công nghiệp, nông nghiệp, các nhu cầu làm sạch, nước

sạch.

❖Chuyển đổi bằng phương pháp lắp đặt trên

mặt đất

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG

❖Chuyển đổi bằng phương pháp lắp đặt kiểu

nổi

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG

❖Ưu điểm

✓Dạng năng lượng tái tạo, sạch, dồi dào.

✓Ít tác động xấu đến môi trường từ việc thải nước

từ OTEC.

✓Có thể cung cấp nước sạch, nước tưới cho nông

nghiệp, các nhu cầu làm lạnh

✓Giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

2.3 NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐẠI DƯƠNG

❖ Nhược điểm

➢ Chi phí đầu tư cao

➢ Cần rất nhiều nước.

➢ Có thể là thay đổi các tính chất của nước.

➢ Thách thức lớn về kĩ thuật

2.4 CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG KHÁC

Năng lượng dòng hải dương

Năng lượng sự chênh lệch độ mặn

2.4.1 Năng lượng ‘‘chênh lệch độ mặn’’

❖Nguyên lý: Sử dụng sức ép từ sự thẩm thấu độ mặn giữa nước biển và nước ngọt để tạo lực đẩy cho nước qua tuabin và phát điện.

Mô hình cơ bản của việc vận dụng chênh lệch độ mặn.

2.4.2 Năng lượng dòng hải dương

• Thực chất cũng là một dạng cải tiến của tidal stream nhưng được áp dụng ở nơi có độ sâu lớn hơn.

• Lợi dụng dòng chảy của các dòng hải lưu tuy chậm hơn nhưng có tính liên tục hơn Tidal Stream.

• Có tiềm năng nhưng gặp nhiều khó khăn để

phát triển.

3. TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM

Đánh giá tiềm năng năng lượng đại dương ❖Tiềm năng sóng biển: • Các vùng xanh đậm là những vùng có mật độ năng lượng biển lớn nhất, Quảng Ninh đến Nghệ An, Thanh Hóa đến Dung Quất, Quảng Ngãi, Dung Quất-đến Ninh Thuận, Ninh Thuận – Cà Mau, Cà Mau- Kiên Giang.

• Vào mùa gió Đông Bắc công suất điện sóng đạt cực đại 40kW/m phía Bắc bờ biển Việt Nam và 30kW/h vùng phía Nam. Trung bình năm 25kW/h vùng ven biển ngoài khơi Nam Trung Bộ. Mật độ cao nhất tại vùng biển Phú Quý đạt 40 kW/m. Vào mùa gió Tây Nam công suất đạt 20 kW/h vào tháng 7, 8 tại các vùng Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ, các vùng khác công suất trung bình đạt 10 kW/m.

Đánh giá tiềm năng năng lượng đại dương

❖Tiềm năng thủy triều:

• Những vùng màu vàng là vùng có tiềm năng nhất.

• Vịnh Hạ Long- 4,7 GWh, Diễn Châu-620

135GWh, Cam Ranh-185 GWh, Gành

GWh, Văn Phong-308 GWh, Quy Nhơn-

Rái-714GWh, Đồng Tranh- 371 GWh,

Rạch Giá- 139 GWh.

• Vùng có tiềm năng dòng chảy, ngoài khơi

Ninh Thuận- Bình Thuận đạt 40-

đạt 100-300 W/m2.

60W/m2, ngoài khơi Cà Mau-Hòn Khoai

Khả năng ứng dụng ở Việt Nam

❖ Tiềm năng: năng lượng đại dương là rất lớn, khả năng phát triển là có. Điện biển Việt Nam, có thể đạt hàng chục GW, góp phần bảo vệ an ninh năng lượng quốc gia, bảo vệ chủ quyên lãnh thổ, cung cấp điện cho các hải đảo, vùng ven biển. ❖ Biện pháp: ➢ xây dựng chiến lược, quy hoạch, kế hoạch, cơ chế chính sách phát triển năng lượng biển sớm cùng quy hoạch không gian biển, ứng phó thiên tai và biến đổi khí hậu.

➢ đào tạo nguồn nhân lực khoa học công nghệ về năng lượng biển ➢ lồng ghép phát triển điện biển và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội

➢ chương trình phát triển năng lượng tái tạo.

khu vực và từng địa phương cụ thể.