Năng Lượng Gió.

Mai Thanh Truyet, Ph.D.

Ngoài năng lượng mặt trời, năng lượng gió là một năng lượng thiên nhiên mà loài người đang chú trọng đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai. Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn. Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng nầytrong tương lai, thế giới cần phải hoàn chỉnh thêm công nghệ nầy cũng như làm thế nào để đạt được năng suất chuyển gió thành điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và đi sâu vào thị trường cạnh tranh với những nguồn năng lượng khác.

Từ 5000 năm trước Thiên chúa(TC), loài người đã biết vận dụng gió để làm lực đẩy các tàu trên sông Nile ở Ai Cập. Vào khoảng 200 trước TC, người Trung Hoa đã biết dùng cánh quạt gió để dẫn thủy nhập điền. Trong lúc đó người Ba Tư và các dân tộc vùng Trung Đông dùng quạt gió có trục đứng để xay lúa mì và các loại hạt.

Vào thế kỷ 11, người Hòa Lan bắt đầu dùng quạt gió để rút nước từ các hồ ở quốc gia nầy vì đất ở đây thấp hơn mặt biển. Vào cuối thề kỷ 19, khi những người mới nhập cư đến New York, họ đã biết dùng cánh quạt gió để bơm nước vào nông trại và ngay sau đó có thể biến gió thành điện cho kỹ nghệ và nhà ở.

Và sau cùng. ở thời điểm 1930, Hoa Kỳ đã có những chương trình biến gió thành điện năng cho những vùng nông thôn xa thành phố. Vào năm 1940, tại Vermont Hill (Hoa Kỳ), một turbine lớn nhất thời bấy giờ có khả năng sản xuất 1,25 MW với vận tốc gió là 30 dậm/giờ.

Trong thế kỷ 20, năng lượng gió đã trãi qua nhiều giai đoạn thăng trầm tùy theo tình hình thế giới cũng như nguồn cung cấp dầu hỏa hay than đá. Ngay sau khi đệ nhị thế chiến chấm dứt, giá dầu hỏa sụt giảm mạnh do đó công nghệ gió hầu như bị ngưng trệ hoàn toàn. Nhưng khi nạn khủng hoảng dầu hỏa vào thập niên 70, các turbine gió được chú ý đến và công nghệ nghiên cứu và phát triển nguồn điện năng nầy lớn mạnh ngay sau đó. Và cho đến hôm nay, công nghệ gió đã tiến đến mức độ là giá thành của loại điện năng nầy tương đương với giá thành của các nguồn điện năng khác như than đá, khí đốt, v.v... Và đây cũng là nguồn hy vọng của thế giới trong tương lai trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu.

Thuận lợi và Bất lợi của nguồn năng lượng gió

Nguồn năng lượng nầy đã cho thấy nhiều điểm thuận lợi. Đó là lý do chính khiến cho sự phát triển tăng nhanh trên thế giới trong những thập niên gần đây.

Thuận lợi: Đây là một nguồn năng lượng sạch vì nguyên liệu được dùng là “gió”. Nguồn năng lượng nầy không làm ô nhiễm không khí như nguồn điện năng phát xuất từ các nhà máy phát điện từ than hay khí đốt. Các turbine gió không tạo ra mưa acid do khí thải SO2, hay các khí nhà kính.

Nguồn năng lượng nầy tương tự như năng lượng mặt trời, vì gió là nguyên nhân của sự hâm nóng bầu khí quyển quanh mặt trời, do sự chuyển vận của trái đất, và do mặt đất lồi lõm. Ba yếu tố trên là ba nguyên nhân chính tạo thành gió. Hiện tại, giá thành của nguồn điện năng nầy giao dodng từ 4 đến 6 xu/KW/giờ tùy theo nguồn gió của từng địa phương.

Bất thuận lợi: Tuy nhiên, điểm bất thuận lợi chính yếu của nguồn năng lượng nầy là tùy thuộc vào thiên nhiên. Dù công nghệ gió đang phát triển cao, và giá thành của một turbine gió giảm dần từ hơn 10 năm qua, mức đầu tư ban đầu cho nguồn năng lượng nầy vẫn còn cao hơn mức đầu tư các nguồn năng lượng cổ điển.

Gió đến từ thiên nhiên cho nên gió không đáp ứng được những nhu cầu cần thiết của con người vì con người không thể kiểm soát được nguồn gió và nguồn điện năng nầy không thể giữ lại được nguồn điện dư thừa trừ khi chuyển điện qua các bình điện dự trử rất tốn kém và không hiệu quả kinh tế.

Nguồn gió nhiều và điều đặn thường ở khu vực xa thành phố, do đó ngoài việc xử dụng tại chỗ, điện năng từ gió khó được chuyển về các khu đông dân cư. Do đó, trước khi có những biện pháp nhằm giải quyết các thuận lợi trên, năng lượng từ gió có thể xem như một nguồn năng lượng dự phòng ngoài các nguồn năng lượng chính yếu khác.

Mức xử dụng năng lượng gió trên thế giới

Trên thế giới trung bình mức sản xuất năng lượng từ gió tăng gấp đôi trong mỗi 3 năm; nhưng trong vòng ba năm vừa qua, mức tăng trưởng càng tăng nhanh hơn nữa. Lý do là giá dầu thô ngày càng tăng và không có chỉ dấu chậm việc tăng giá lại trong tương lai. Theo thống kê, cho đến năm 2000, các quốc gia trên thế giới đã sản xuất 17.500 MW tương đương với lượng điện năng tiêu thụ trong một năm của quốc gia Chí Lợi. Đan Mạch với 2.000MW hàng năm, tượng đương với 12% mức tiêu thụ toàn quốc của quốc gia nầy.

Về giá thành, năng lượng gió có thể so sánh với các loại năng lượng đến từ các máy phát nhiệt điện. Gần đây nhất, với sự tiến bộ của công nghệ gió, hiệu năng biến thành điện năng tăng cao, do đó giá thành ngày càng giảm dần. Trung bình giá thành để xây dựng một hệ thống điện từ gió là $1.000/KW điện trong đất liền, và ngoài đại dương là $1.600/KW. Giá thành còn tùy thuộc vào sức gió của mỗi vùng. Để có một khái niệm về giá thành của các lọai năng lượng so với năng lượng gió ở các vùng thưa dân cư xa thành phố là: $0,48/KW/giờ cho năng lượng gió, và $0,80 KW/giờ cho nguồn năng lượng đến từ dầu diesel.

Vấn đề môi sinh

Dĩ nhiên không có một nguồn năng lượng nào mà không ảnh hưởng lên môi trường. Trong trường hợp năng lượng gió, ảnh hưởng cần phải lưu tâm là các turbine gió gây ra tiếng động làm đão lộn các luồng sóng trong không khí có thể làm xáo trộn hệ sinh thái của các loài chim hoang dã và làm nhiễu xạ trở ngại cho việc phát tuyến trong truyền thanh và truyền hình. Tuy nhiên, những bất lợi nầy không thể phản bác lại một lợi điểm quan trọng trong việc sản xuất nguồn năng lượng nầy là giảm thiểu được lượng khí CO2 phóng thích vào không khí, nguyên tố chính của sự hâm nóng toàn cầu.

Kỹ thuật biến nguồn gió thành điện năng

Như đã nói ở phần trên, gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Luồng gió cũng như cường độ gió tùy thuộc vào mức độ lồi lõm của mặt đất, mức độ rậm rạp của thực vật trên đất, và diện tích của ao hồ, biển cả v.v... Con người xử dụng nguồn gió trong nhiều ứng dụng khác nhau như: chạy thuyền bè, dẫn thủy nhập điền, và nhất là biến thành điện năng.

Tiến trình chuyển tải nguồn gió qua một turbine để sản xuất ra nguồn điện năng cần phải qua nhiều giao đoạn: Turbine gió biến động năng (kinetic energy) thành cơ năng (mechanical energy). Chính cơ năng nầy sẽ được chuyển thành điện năng qua máy phát điện. Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào để biến các turbine gió thành điện năng? Thật giản dị, gió làm các cánh quạt xoay tròn và chuyển động nầy tạo qua điện nhờ một máy phát điện. Từ đó điện năng đưiợc chuyển taiđỉ cùng khắp.

Các loại turbine gió

Có hai loại turbine gió căn bản: loại quạt gió có trục ngang và loại quạt gió có trục đứng còn gọi là turbine Darrieus mang tên nhà sáng chế Pháp. Loại quạt gió có trục ngang với 3 cánh quạt được xử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ, và quật nầy được đặt đối diện với hướng gió được gọi là “upwind”. Và loại 2 cánh quạt được đặt cùng chiều với hướng gió gọi là “down wind”.

Một tập hợp turbine gió muốn đạt được hiệu quả kinh tế tối thiểi phải sản xuất ít nhất là 50KW, và các tập hợp lớn có thể cho đến nhiều MW. Các tập hợp turbne nhỏ thường được kết hợp vớpi các photovoltaic của năng lượng mặt trời để cung cấp một nguồn điện liên tục và ổn định.

Công nghệ của một turbine gió

Một turbine gió gồm những bộ phận sau:

· Một máy đo vận tốc gió và chuyển kết quả nầy qua một hệ thống kiểm soát;

· Các cánh quạt được làm bằng hợp kim nhẹ hay một loại composite hữu cơ;

· Một hệ thống thắng để có thể ngừng việc xoay vòng của quạt gió trong trường hợp khẩn cấp hay bảo trì;

· Một hệ thống kiểm soát vận tốc của gió. Hệ thống nầy tự động ngưng mọi hoạt động của turbine khi vận tốc gió đạt đến 65 dậm/ giờ vì với vận tốc nầy sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện;

· Một hệ thống hộp số có nguyên tắc giống như hộp số xe hơi, có mục đích làm tăng vận tốc quây của gió từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1.200 đến 1.500 v/p để có khả năng phát ra điện. Đây là phần chính yếu của turbine gió và giá thành của bộ phận nầy chiếm 75% già thành của toàn hệ thống turbine.

· Vì vậy, những nhà nghiên cứu hiện tại cố gắng tìm giải pháp thay thế khác để có thể biến gió thành điện năng ở những vận tốc quây thấp mà không cần đến bộ phận nầy;

· Sau cùng, một máy phát điện để dự trữ điện năng từ hệ thống turbine gio phát ra.

Trường hợp Việt Nam

Đối với Việt Nam, tại các tỉnh vùng duyên hải chạy dài từ Bình Thuận đến tận Hà Tỉnh là những vùng thuận lợi lớn để thiết trí các hệ thống turbine gió. Trong một tương lai không xa, ước tính vào khoảng 30 năm nữa, các nguồn năng lượng cổ điển như than đá, dầu khí sẽ dần dần bị cạn kiệt; thủy điện sẽ trở thnh một hiểm họa lớn cho mội trường. Trong lúc đó điện năng từ các lò phản ứng hạch nhân vẫn còn là một khái niệm mơ hồ cho các nhà làm khoa học Việt Nam. Rốt ráo lại, chỉ còn lại hai nguồn điện năng sạch và có tính khả thi cao: đó là nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

Thiết nghĩ, ngay từ bây giờ, đã đến lúc Việt Nam cần phải quan tâm và bắt đầu xây dựng mạng lưới của hai nguồn điện năng nầy. Đây là một đầu tư đúng đắn và lau dài cũng như khá tốn kém. Nếu không có những chuẩn bị ngay tức khắc, thì cuộc khủng hoảng năng lượng nhiều phần có thể xảy ra cho Việt Nam trong tương lai. Với đà gia tăng dân số hiện tại, với nhu cầu phát triển kinh tế hầu thâu ngắn cách biệt giàu-nghèo so với các quốc gia lân bang, thêm một lý do nữa để Việt Nam cần phải đẩy mạnh nguồn sản xuất năng lượng theo cấp số nhân chư không phải cấp số cộng như hiện nay.