Năng lượng gió trong đời sống nhân loại (Kỳ 2)

Năng lượng gió trong đời sống nhân loại (Kỳ 1)

Điện gió ở Liên Xô trong chiến tranh và thời hậu chiến

Nhưng nước Nga lại chọn một hướng đi hoàn toàn khác - tận dụng gió. Để bù đắp cho sự thiếu hụt các nhà máy nhiệt điện, Viện Khí động học Trung ương Nga trong những năm 20 của thế kỷ trước đã tạo ra một loạt trạm điện gió nhỏ với công suất trên dưới 30kW, cung cấp cho nhu cầu về điện ở các địa phương nhỏ lẻ nằm cách xa lưới điện. Ở những quãng thời gian thấp điểm tiêu thụ điện trong sinh hoạt và sản xuất, lượng điện dôi dư được sử dụng để đưa nước lên các bể chứa ở độ cao ngang bằng cột đỡ trục, khi không có gió, nước được xả xuống làm quay turbine để phát ra dòng điện. Đó là một hướng xử lý vô cùng hợp lý. Gần 1 thế kỷ sau, năm 2017, Đức đã xây dựng một trạm điện gió theo mô hình này, dĩ nhiên với công suất lớn hơn nhiều.

Trang trại phong điện trên biển

Trước khi phát hiện các mỏ dầu và khí đốt ở Siberia, Nga (và sau đó là Liên Xô) đã tích cực phát triển các nguồn năng lượng thay thế vì những lý do chiến lược. 90% dầu của Liên Xô được khai thác ở vùng Caucasus và rõ ràng là khi xảy ra bất kỳ cuộc chiến tranh nào, địch sẽ cố gắng tập trung tấn công trước hết vào những khu vực dầu khí của đối phương. Trong Chiến tranh vệ quốc vĩ đại, nhờ được Hồng quân bảo vệ rốt ráo nên vùng dầu mỏ Caucasus không bị quân phát xít đức triệt phá. Tuy nhiên, để đề phòng tình huống xấu nhất, chính quyền Liên Xô đã khuyến khích nhiều sự lựa chọn khác nhau về năng lượng thay thế, đặc biệt tăng cường chế tạo và ứng dụng các loại động cơ gió.

Quân phát xít Đức đã tàn phá không nương tay những cơ sở điện gió của Liên Xô, được xây dựng gần như trên khắp đất nước, với công suất rất nhỏ so với ngày nay, nhưng được coi là tiên tiến nhất thế giới thời đó. Thật đáng tiếc, cột điện gió Balaklava, được xây dựng từ năm 1931, mạnh nhất thế giới lúc bấy giờ với công suất 100 kW (đường kính đĩa cánh quạt là 30m) đã bị quân Đức pháo kích phá hủy đến tận nền móng. Thời hậu chiến, Liên Xô vẫn tiếp tục phát triển điện gió để bù đắp cho các nhà máy nhiệt điện, thủy điện bị tàn phá trong chiến tranh, chưa có thể phục hồi một sớm một chiều. Trong giai đoạn 1950-1955, Liên Xô sản xuất 9.000 turbine gió mỗi năm, có công suất lên đến hàng trăm kilowatt, chủ yếu để phục vụ chương trình vỡ hoang đất đai thuộc chủ trương hợp tác hóa nông nghiệp và để cung cấp năng lượng cho miền Viễn Bắc hãy còn nằm xa ngoài tầm với của chương trình điện khí hóa toàn quốc.

Từ thập niên 60, lĩnh vực năng lượng gió ở Liên Xô đã bị bóp chết bởi sự bùng nổ nhiên liệu lỏng giá rẻ. Cho đến tận đầu thập niên 2010, các quan chức và các chuyên gia năng lượng Nga vẫn cho rằng, điện gió sản xuất ở châu Âu là một loại sản phẩm đắt tiền. Nhưng có thật như vậy không? Chúng ta hãy cùng cố gắng tìm hiểu nguồn ngọn vấn đề.

Những tiến bộ vượt bậc của phong điện

Ngày nay, trạm phong điện trục quay ngang không phụ thuộc quá nhiều vào sự thay đổi dù nhỏ nhất trong tốc độ gió. Trạm Vestas V164 của Đan Mạch, được xây dựng năm 2014, có chiều cao 220m, với các cánh quạt có chiều dài 164m (để so sánh: kim tự tháp Cheops chỉ cao 139m và một tòa nhà 50 tầng cao khoảng 150-170m). Tổng trọng lượng các cánh quạt làm bằng thủy tinh carbon của nó là 100 tấn. Công suất của trạm đạt trên 9MW.

Trạm điện gió được xây dựng ở khu vực nhiều rừng

Nói chung chiều cao của trụ đỡ càng tăng và chiều dài cánh quạt càng lớn thì công suất càng tăng và càng ít có khả năng trạm phải tạm ngưng hoạt động khi gió ngừng thổi hoặc giảm tốc độ đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn. Hiện nay, các chuyên gia đã đưa ra đề xuất tăng chiều cao của trụ lên đến 300-400m và chiều dài cánh quạt lên đến 250-300m.

Ở trạm Enercon E-126 của mình (xây dựng năm 2012), Siemens đã tạo ra được các cánh quạt khổng lồ như vậy - chúng được tạo thành từ hai “lưỡi dao” ghép chèn vào nhau. Một số nhà sản xuất có kế hoạch đưa thêm 1 “lưỡi dao” nữa vào cấu trúc cánh quạt.

Còn có một điều quan trọng nữa, đó là càng lên cao, tốc độ gió càng tăng rõ rệt. Với cấu trúc thực sự lớn, các chuyên gia khuyên rằng, nên xây dựng các trang trại gió ở các khu vực có rừng, vì do bị cây rừng cản đường, gió sẽ bốc lên cao và gia tăng tốc độ.

Do sự gia tăng liên tục về quy mô của các trạm phong điện, giá thành điện gió đang giảm dần. Trong kỹ thuật phong điện, nếu có cùng thông số cánh quạt thì khi chiều cao của trụ đỡ tăng gấp đôi, công suất của trạm sẽ tăng gấp 4 (theo cấp số lũy thừa). Nói cách khác, khi chiều cao tăng n lần thì công suất tăng n² lần. Như vậy, hiệu ứng kích thước thể hiện rõ nét nhất trong ngành công nghiệp điện gió.

Nhờ sử dụng hiệu ứng này, giá thành sản xuất điện từ các turbine gió ở phương Tây đã giảm từ hơn 10 cent/kWh vào năm 2012 xuống còn 4-5 cent như hiện nay. Ngay cả các trạm điện gió ở biển mà chi phí xây dựng thường đắt hơn so với trên đất liền. Hiện nay, cũng đã cung cấp điện với giá 6-7 cent/kWh và tốc độ giảm giá thậm chí còn nhanh hơn phong điện trên đất liền, vì người ta có thể lắp đặt cánh quạt trên biển có chiều dài ít nhất 200m và không gian trên biển thì luôn… vô tư.

Nhưng có người sẽ thắc mắc: trong những khoảng thời gian lặng gió suốt nhiều tuần lễ thì sao? Xin hãy yên tâm: trên biển có những khu vực không bao giờ lặng gió hoặc gió thổi yếu. Châu Âu may mắn có được rất nhiều khu vực như thế, mà lại ở vùng biển nước nông gần bờ. Ví dụ, toàn bộ Biển Bắc là khá nông và luôn có gió mạnh. Hầu hết các vùng biển gần bờ phía đông của nước Mỹ cũng vậy. Hồi tháng 10-2017, nhà máy điện gió bán chìm đầu tiên trên thế giới với công suất hàng chục megawatts đã đi vào hoạt động ở gần bờ biển Scotland. Các trụ chong chóng của nhà máy được neo đậu vững chắc trên mặt nước ở vùng biển có độ sâu 800m. Tổng diện tích các vùng biển có độ sâu và lượng gió cao ổn định như vậy có thể đáp ứng hàng chục lần nhu cầu về điện cho cả thế giới.

Tuy nhiên, cũng không nên lý tưởng hóa phong điện, coi nó là “chiếc đũa thần” cho ngành năng lượng. Các nguồn điện khác như nhiệt điện, thủy điện, điện mặt trời, điện hạt nhân… vẫn phải tồn tại song song để bù đắp sự thiếu hụt điện trong những giờ cao điểm.