Năng lượng sóng biển và thủy triều: Công nghệ mới

Năng Lượng Sóng Biển và Thủy Triều: Khai Phá Tiềm Năng Vô Tận Từ Đại Dương Bằng Công Nghệ Mới

Đại dương bao la, chiếm hơn 70% diện tích bề mặt Trái Đất, không chỉ là cái nôi của sự sống mà còn ẩn chứa một nguồn năng lượng tái tạo khổng lồ, gần như vô tận. Trong bối cảnh thế giới đang nỗ lực chuyển dịch khỏi nhiên liệu hóa thạch để chống biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh năng lượng, việc khai thác sức mạnh của biển cả thông qua năng lượng sóng và năng lượng thủy triều đang thu hút sự quan tâm ngày càng lớn.

Khác với năng lượng mặt trời hay gió đã trở nên tương đối phổ biến, năng lượng từ sóng và thủy triều, mặc dù có tiềm năng lý thuyết cực kỳ lớn và một số ưu điểm độc đáo (như tính dự đoán cao của thủy triều), vẫn còn ở giai đoạn phát triển và thương mại hóa ban đầu. Tuy nhiên, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, hàng loạt công nghệ mới đang được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai, hứa hẹn mở ra một chương mới cho ngành năng lượng biển.

Phần 1: Tìm Hiểu Về Năng Lượng Sóng Biển (Wave Energy)

1.1. Nguồn gốc và Nguyên lý:

Năng lượng sóng biển thực chất là dạng năng lượng tập trung của năng lượng mặt trời. Gió được hình thành do sự chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt Trái Đất (gây ra bởi bức xạ mặt trời), và khi gió thổi trên mặt biển trong một khoảng thời gian và quãng đường đủ dài (đà gió – fetch), năng lượng của gió sẽ truyền vào nước, tạo thành sóng.

Sóng mang năng lượng dưới hai dạng: thế năng (do sự chênh lệch độ cao giữa đỉnh sóng và chân sóng) và động năng (do sự chuyển động của các phần tử nước). Mục tiêu của công nghệ năng lượng sóng là chuyển đổi hiệu quả thế năng và/hoặc động năng này thành dạng năng lượng hữu ích, chủ yếu là điện năng.

1.2. Đặc điểm:

• Mật độ năng lượng cao: Năng lượng chứa trong sóng thường cao hơn nhiều so với gió hoặc năng lượng mặt trời trên cùng một đơn vị diện tích.
• Tính biến đổi: Năng lượng sóng thay đổi theo điều kiện gió, mùa và vị trí địa lý. Tuy nhiên, sóng có tính ổn định và dự đoán trong ngắn hạn (vài giờ đến vài ngày) tốt hơn gió.
• Phân bố không đều: Các vùng biển có tiềm năng năng lượng sóng lớn thường tập trung ở các vĩ độ trung bình, nơi có gió mạnh và ổn định thổi trên quãng đường dài (như bờ Tây châu Âu, bờ Tây Bắc Mỹ, bờ Nam Úc…).

1.3. Các Công nghệ Khai thác Năng lượng Sóng (Tính đến 2025):

Công nghệ năng lượng sóng rất đa dạng, đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng với nhiều thiết kế khác nhau, có thể phân loại theo nguyên lý hoạt động hoặc vị trí lắp đặt:

• Thiết bị Hấp thụ Điểm (Point Absorbers): Là các phao hoặc cấu trúc nổi, hấp thụ năng lượng sóng từ mọi hướng tại một điểm. Chuyển động lên xuống hoặc lắc lư của phao theo sóng được sử dụng để bơm chất lỏng thủy lực hoặc kéo máy phát điện tuyến tính.
  • Ví dụ: Hệ thống PowerBuoy của Ocean Power Technologies (OPT) đã được thử nghiệm ở nhiều nơi; công nghệ của CorPower Ocean (Thụy Điển) với bộ chuyển đổi dạng phao đang được thử nghiệm ở quy mô tiền thương mại.
• Thiết bị Giảm sóng (Attenuators): Là các cấu trúc nổi, dài, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng khớp, đặt song song với hướng truyền sóng. Khi sóng đi dọc thân thiết bị, các khớp nối sẽ uốn lượn, chuyển động tương đối giữa các đoạn được dùng để bơm thủy lực tạo ra điện.
  • Ví dụ: Pelamis (Anh) là thiết kế tiên phong nhưng đã dừng hoạt động. Các công ty khác đang phát triển các biến thể mới dựa trên nguyên lý này.
• Cột nước Dao động (Oscillating Water Columns – OWCs): Là các cấu trúc rỗng, nửa chìm (có thể đặt trên bờ, gần bờ hoặc ngoài khơi). Sóng biển đi vào và ra khỏi một buồng chứa khí, làm mực nước bên trong dâng lên hạ xuống, đẩy không khí nén qua lại một tua-bin khí (thường là tua-bin Wells, có thể quay cùng chiều dù luồng khí đổi chiều).
  • Ví dụ: Nhà máy LIMPET trên đảo Islay (Scotland), nhà máy Mutriku (Tây Ban Nha) là các dự án OWC trên bờ đang hoạt động. Các thiết kế OWC nổi ngoài khơi cũng đang được phát triển.
• Thiết bị Sóng tràn (Overtopping Devices / Terminators): Các cấu trúc (cố định trên bờ hoặc nổi ngoài khơi) có một bờ dốc cho phép sóng tràn qua đỉnh vào một bể chứa đặt cao hơn mực nước biển trung bình. Nước trong bể sau đó được cho chảy ngược ra biển qua các tua-bin thủy lực thấp áp để phát điện.
  • Ví dụ: Dự án Wave Dragon (Đan Mạch – thiết bị nổi), công nghệ Sea-based Strom Generation (SSG – Na Uy, đặt trên bờ).
• Thiết bị Chuyển đổi Năng lượng Sóng dạng Vẫy/Cánh đập (Oscillating Wave Surge Converters – OWSCs / Flaps): Thường là các tấm phẳng hoặc cánh ngầm đặt gần bờ, được neo cố định xuống đáy biển. Chuyển động tới lui của sóng (dòng chảy ngang) làm cánh đập này lắc lư qua lại, năng lượng cơ học này được chuyển thành điện năng thông qua hệ thống thủy lực hoặc cơ khí.
  • Ví dụ: Công nghệ Oyster của Aquamarine Power (đã dừng) là ví dụ điển hình. Các thiết kế mới hơn đang được nghiên cứu.
• Thiết bị Dựa trên Chênh lệch Áp suất Ngầm (Submerged Pressure Differential Devices): Các thiết bị đặt gần đáy biển, sử dụng sự thay đổi áp suất thủy tĩnh khi sóng truyền qua phía trên để tạo ra chuyển động bơm chất lỏng hoặc làm phồng/xẹp một cấu trúc linh hoạt, từ đó sinh ra năng lượng.
  • Ví dụ: Công nghệ của AWS Ocean Energy (Scotland).

Xu hướng công nghệ (2025): Tập trung vào cải thiện hiệu suất chuyển đổi, độ tin cậy và khả năng sống sót trong điều kiện biển khắc nghiệt; giảm chi phí lắp đặt và bảo trì (O&M); phát triển các hệ thống điều khiển thông minh; sử dụng vật liệu mới; tích hợp với các dạng năng lượng biển khác hoặc các hoạt động ngoài khơi (nuôi trồng thủy sản, khử muối…).

Phần 2: Tìm Hiểu Về Năng Lượng Thủy Triều (Tidal Energy)

2.1. Nguồn gốc và Nguyên lý:

Năng lượng thủy triều khai thác năng lượng từ chuyển động của nước biển gây ra bởi lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời. Có hai dạng chính được khai thác:

• Năng lượng Chênh lệch Mực nước Thủy triều (Tidal Range Energy): Khai thác thế năng được tạo ra do sự khác biệt về độ cao mực nước giữa lúc triều lên và triều xuống. Yêu cầu phải có biên độ thủy triều (tidal range) lớn (thường > 5 mét).
• Năng lượng Dòng chảy Thủy triều (Tidal Stream/Current Energy): Khai thác động năng của các dòng nước chảy mạnh khi thủy triều lên hoặc xuống, đặc biệt ở những eo biển hẹp, cửa sông hoặc giữa các đảo.

2.2. Đặc điểm:

• Tính Dự đoán Cao: Chu kỳ lên xuống của thủy triều và cường độ dòng chảy có thể được dự đoán chính xác hàng năm, thậm chí hàng thế kỷ dựa trên thiên văn học. Đây là ưu điểm lớn so với các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi khác.
• Độ Tin cậy: Hoạt động ổn định theo chu kỳ thiên văn.
• Tập trung Địa lý: Tiềm năng lớn chỉ tập trung ở những khu vực có biên độ thủy triều cao hoặc tốc độ dòng chảy mạnh (> 2-2.5 m/s).

2.3. Các Công nghệ Khai thác Năng lượng Thủy Triều (Tính đến 2025):

• Đối với Năng lượng Chênh lệch Mực nước (Tidal Range):
  • Đập Thủy triều (Tidal Barrages): Là các con đập lớn cắt ngang cửa sông hoặc vịnh. Khi thủy triều lên, nước chảy vào trong vịnh qua các cửa van. Khi triều xuống (và mực nước trong vịnh cao hơn bên ngoài), nước được cho chảy ngược ra biển qua các tua-bin thủy lực để phát điện (có thể phát điện cả khi triều lên).
    • Ví dụ: Nhà máy La Rance (Pháp, 240MW, hoạt động từ 1966), Sihwa Lake (Hàn Quốc, 254MW, hoạt động từ 2011) là các ví dụ điển hình và quy mô lớn nhất hiện nay.
    • Ưu/Nhược điểm: Công nghệ trưởng thành, quy mô công suất lớn. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cực kỳ cao, thời gian xây dựng dài và gây tác động môi trường nghiêm trọng đến hệ sinh thái cửa sông (thay đổi chế độ thủy văn, ảnh hưởng di cư của cá, bồi lắng…). Do đó, rất ít dự án mới được xây dựng.
  • Đầm phá Thủy triều (Tidal Lagoons): Một cách tiếp cận mới hơn, xây dựng các bức tường chắn nhân tạo ngoài khơi tạo thành một đầm phá, không chặn hoàn toàn cửa sông. Nước chảy vào/ra đầm phá qua các tua-bin đặt trên tường chắn.
    • Ví dụ: Dự án Swansea Bay Lagoon (Anh) đã được đề xuất và nghiên cứu kỹ lưỡng nhưng vẫn gặp khó khăn về tài chính và phê duyệt. Các dự án tương tự khác đang được xem xét.
    • Ưu/Nhược điểm: Được cho là có tác động môi trường thấp hơn đập thủy triều, nhưng chi phí vẫn rất cao và công nghệ cần được chứng minh ở quy mô lớn.
• Đối với Năng lượng Dòng chảy Thủy triều (Tidal Stream): Công nghệ này đang phát triển nhanh hơn và được xem là có tiềm năng lớn hơn trong tương lai gần do ít tác động môi trường hơn và có thể triển khai ở nhiều địa điểm hơn.
  • Tua-bin Dòng chảy Thủy triều (Tidal Stream Turbines): Hoạt động tương tự tua-bin gió nhưng đặt dưới nước để khai thác động năng dòng chảy. Có nhiều thiết kế:
    • Tua-bin Trục ngang (Horizontal Axis): Phổ biến nhất, cánh quạt quay quanh trục nằm ngang. Có thể đặt cố định trên móng dưới đáy biển hoặc gắn trên các cấu trúc nổi. Ví dụ: Dự án MeyGen (Scotland) là trang trại tua-bin dòng chảy lớn nhất thế giới đang hoạt động, sử dụng tua-bin của Andritz Hydro Hammerfest và SIMEC Atlantis Energy. Tua-bin nổi O2 của Orbital Marine Power (Scotland) là một thiết kế sáng tạo, dễ lắp đặt và bảo trì hơn.
    • Tua-bin Trục đứng (Vertical Axis): Cánh quạt quay quanh trục thẳng đứng, có thể hoạt động hiệu quả với dòng chảy từ nhiều hướng. Ít phổ biến hơn trục ngang ở quy mô lớn.
    • Cánh dao động (Oscillating Hydrofoils): Các cánh giống cánh máy bay dao động lên xuống trong dòng chảy để tạo năng lượng.
    • Thiết bị Hiệu ứng Venturi: Thiết kế ống dẫn thu hẹp dòng chảy để tăng tốc độ nước qua tua-bin nhỏ hơn.
    • Diều Năng lượng Thủy triều (Tidal Kites): Các thiết bị giống cánh diều được buộc dây vào đáy biển, “bay lượn” theo dòng chảy theo quỹ đạo định sẵn, kéo theo một tua-bin nhỏ hoặc truyền động năng lên bờ. Ví dụ: Công nghệ Deep Green của Minesto (Thụy Điển/Anh) đang được thử nghiệm và phát triển.

Xu hướng công nghệ (2025): Phát triển các tua-bin thế hệ mới lớn hơn, hiệu quả hơn; tối ưu hóa thiết kế móng và hệ thống neo (đặc biệt là công nghệ nổi); giảm chi phí lắp đặt và bảo trì (O&M); phát triển các trang trại (arrays) gồm nhiều tua-bin; nghiên cứu sâu hơn và giảm thiểu tác động môi trường (tiếng ồn, va chạm…).

Phần 3: Ưu điểm của Năng lượng Sóng và Thủy Triều

• Tái tạo và Sạch: Không phát thải KNK trong quá trình vận hành, góp phần chống BĐKH.
• Mật độ Năng lượng Cao: Hiệu quả hơn về mặt không gian so với nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác.
• Tính Dự đoán Cao (Đặc biệt là Thủy triều): Giúp việc tích hợp vào lưới điện ổn định và dễ dàng hơn so với gió, mặt trời. Sóng cũng có tính dự đoán ngắn hạn tốt.
• Tiềm năng Toàn cầu Lớn: Nguồn tài nguyên lý thuyết rất dồi dào dọc các bờ biển trên thế giới.
• Giảm Sử dụng Đất: Các thiết bị ngoài khơi không chiếm dụng đất liền quý giá.
• Phát triển Kinh tế Biển: Tạo việc làm trong lĩnh vực công nghệ cao, chế tạo, lắp đặt, vận hành, bảo trì tại các vùng ven biển.

Phần 4: Nhược điểm và Thách thức

• Chi phí Cao: Chi phí nghiên cứu phát triển (R&D), chế tạo, lắp đặt (đặc biệt trong môi trường biển khắc nghiệt), kết nối lưới điện và bảo trì còn rất cao so với các nguồn năng lượng truyền thống và năng lượng tái tạo khác đã trưởng thành.
• Công nghệ Chưa Hoàn thiện và Độ Tin cậy: Nhiều công nghệ (đặc biệt là năng lượng sóng) vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm hoặc tiền thương mại. Việc đảm bảo các thiết bị hoạt động ổn định, hiệu quả và tồn tại được qua hàng chục năm trong môi trường biển ăn mòn, chịu bão tố là thách thức kỹ thuật lớn.
• Tác động Môi trường:
  • Đập thủy triều: Gây thay đổi lớn hệ sinh thái cửa sông, ảnh hưởng luồng di cư của cá, chế độ bồi lắng.
  • Tua-bin dòng chảy: Lo ngại về nguy cơ va chạm với động vật biển (cá, thú biển), tiếng ồn dưới nước, ảnh hưởng đến động lực học trầm tích và sinh vật đáy. Cần nghiên cứu kỹ và áp dụng biện pháp giảm thiểu.
  • Thiết bị năng lượng sóng: Lo ngại về neo đậu ảnh hưởng đáy biển, tiếng ồn, nguy cơ mắc kẹt cho sinh vật biển, ảnh hưởng cảnh quan (nếu gần bờ).
  • Yêu cầu bắt buộc: Cần thực hiện Đánh giá Tác động Môi trường (ĐTM) kỹ lưỡng và giám sát chặt chẽ trong quá trình vận hành.
• Kết nối Lưới điện: Việc đưa cáp ngầm từ ngoài khơi vào bờ và kết nối với lưới điện quốc gia là phức tạp và tốn kém.
• Giới hạn về Địa điểm: Các vị trí có tiềm năng năng lượng sóng hoặc thủy triều tốt nhất thường tập trung ở một số khu vực nhất định.
• Chính sách và Pháp lý: Thiếu các chính sách hỗ trợ dài hạn, ổn định (như cơ chế giá điện ưu đãi, đấu thầu riêng cho năng lượng biển) ở nhiều quốc gia. Quy trình cấp phép phức tạp, chồng chéo.

Phần 5: Hiện trạng Toàn cầu và Tiềm năng tại Việt Nam (Tính đến 4/2025)

• Hiện trạng Toàn cầu:
  • Năng lượng Thủy triều:
    • Đập/Đầm phá: Rất ít dự án quy mô lớn mới được xây dựng sau La Rance và Sihwa Lake. Các dự án đầm phá (như ở Anh) vẫn đang trong giai đoạn phát triển/tìm kiếm tài trợ.
    • Dòng chảy: Dẫn đầu bởi châu Âu (Anh, Pháp) và Canada. Một số trang trại nhỏ (vài MW đến vài chục MW) đang hoạt động hoặc xây dựng (MeyGen, Paimpol-Bréhat…). Công nghệ tua-bin trục ngang và các thiết bị nổi (Orbital O2, Minesto) đang được chứng minh và hướng tới thương mại hóa. Tổng công suất lắp đặt toàn cầu còn rất nhỏ (< 1 GW) nhưng đang tăng dần.
  • Năng lượng Sóng: Vẫn đi sau năng lượng dòng chảy thủy triều về mức độ trưởng thành công nghệ. Nhiều công ty đã thử nghiệm và thất bại. Hiện tại, có một số công ty đang tiến gần hơn đến thương mại hóa với các thiết bị thế hệ mới, tập trung vào các thị trường ngách (cung cấp điện cho đảo, hoạt động dầu khí ngoài khơi) hoặc các dự án trình diễn quy mô nhỏ. Các trung tâm thử nghiệm như EMEC (Anh), Wave Hub (Anh – đã đóng), các địa điểm ở Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Úc, Mỹ đóng vai trò quan trọng. Tổng công suất lắp đặt toàn cầu còn thấp hơn nhiều so với dòng chảy thủy triều.
  • Xu hướng chung: Ngành năng lượng biển đang trong giai đoạn then chốt, tập trung vào giảm chi phí (LCOE – Levelized Cost of Energy), tăng độ tin cậy, chuẩn hóa công nghệ, phát triển chuỗi cung ứng và chứng minh tính bền vững về môi trường để có thể cạnh tranh và thu hút đầu tư quy mô lớn.
• Tiềm năng tại Việt Nam:
  • Việt Nam có đường bờ biển dài và một số khu vực có tiềm năng nhất định về năng lượng biển.
  • Năng lượng Sóng: Các nghiên cứu sơ bộ cho thấy tiềm năng tập trung chủ yếu ở vùng biển miền Trung và Nam Trung Bộ (từ Quảng Ngãi đến Bình Thuận), nhưng mật độ năng lượng nhìn chung ở mức trung bình thấp so với các điểm nóng toàn cầu. Có thể phù hợp cho các thiết bị gần bờ hoặc quy mô nhỏ. Cần các nghiên cứu đánh giá tài nguyên chi tiết hơn.
  • Năng lượng Thủy triều: Tiềm năng về chênh lệch mực nước (tidal range) không lớn như một số nơi trên thế giới. Tuy nhiên, tiềm năng về năng lượng dòng chảy thủy triều được đánh giá là đáng kể hơn tại một số eo biển hẹp giữa các đảo (như khu vực Côn Đảo, Cát Bà) hoặc các cửa sông có dòng chảy mạnh. Cũng cần các khảo sát, đo đạc chi tiết.
  • Hiện trạng tại Việt Nam: Lĩnh vực năng lượng sóng và thủy triều ở Việt Nam chủ yếu vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, đánh giá tiềm năng ban đầu. Chưa có dự án thí điểm (pilot) quy mô đáng kể nào được triển khai. Mặc dù đã được đề cập trong các chiến lược năng lượng tái tạo, nhưng chưa có cơ chế chính sách hỗ trợ cụ thể và mạnh mẽ như đối với điện mặt trời hay điện gió.
  • Thách thức: Thiếu dữ liệu tài nguyên chi tiết và đáng tin cậy; chi phí công nghệ cao; thiếu kinh nghiệm và năng lực kỹ thuật trong nước; khó khăn trong kết nối lưới điện; cần xây dựng khung pháp lý và cơ chế hỗ trợ riêng; cần quy hoạch không gian biển tích hợp.

Phần 6: Triển vọng Tương lai và Kết luận

• Triển vọng: Năng lượng sóng và thủy triều có tiềm năng đóng góp vào cơ cấu năng lượng tái tạo đa dạng trong tương lai, đặc biệt tại các quốc gia và khu vực ven biển. Khả năng dự đoán của thủy triều là một lợi thế lớn cho ổn định lưới điện. Nếu các thách thức về chi phí và công nghệ được giải quyết, chúng có thể trở thành nguồn điện sạch quan trọng. Các công nghệ mới như diều năng lượng, thiết bị nổi hứa hẹn giảm chi phí lắp đặt, bảo trì. Các dự án tích hợp ngoài khơi (kết hợp gió, sóng, thủy triều, nuôi trồng…) cũng là một hướng đi tiềm năng.
• Yếu tố Quyết định: Sự phát triển trong tương lai phụ thuộc lớn vào:
  • Đổi mới Công nghệ: Tiếp tục R&D để giảm chi phí, tăng hiệu quả và độ tin cậy.
  • Chính sách Hỗ trợ: Các cơ chế khuyến khích đầu tư ổn định, dài hạn từ chính phủ.
  • Hợp tác Quốc tế: Chia sẻ kinh nghiệm, công nghệ, tài chính.
  • Đánh giá Môi trường Cẩn trọng: Đảm bảo phát triển bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực.

Kết luận:

Năng lượng sóng biển và năng lượng thủy triều khai thác sức mạnh khổng lồ và bền bỉ của đại dương, mang trong mình tiềm năng trở thành những nguồn năng lượng sạch quan trọng trong tương lai. Chúng sở hữu những ưu điểm đáng kể như tính tái tạo, mật độ năng lượng cao và đặc biệt là tính dự đoán vượt trội của thủy triều.

Tuy nhiên, tính đến tháng 4 năm 2025, các công nghệ khai thác năng lượng biển này, đặc biệt là năng lượng sóng, nhìn chung vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện và tối ưu hóa, đối mặt với những thách thức lớn về chi phí đầu tư cao, độ tin cậy kỹ thuật trong môi trường khắc nghiệt và những lo ngại tiềm ẩn về tác động môi trường cần được quản lý chặt chẽ.

Dù chưa thể cạnh tranh trực tiếp về giá với các nguồn năng lượng tái tạo đã trưởng thành như mặt trời hay gió ở quy mô lớn, nhưng với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và sự gia tăng nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch, ổn định, năng lượng sóng và thủy triều đang dần khẳng định vị thế của mình.

Đối với Việt Nam, với lợi thế bờ biển dài, việc nghiên cứu, đánh giá kỹ lưỡng tiềm năng và từng bước tiếp cận, thử nghiệm các công nghệ năng lượng biển phù hợp có thể mở ra cơ hội đa dạng hóa nguồn cung năng lượng, giảm phát thải carbon và thúc đẩy kinh tế biển trong dài hạn.

Tương lai của năng lượng sóng và thủy triều phụ thuộc vào nỗ lực chung của các nhà khoa học, kỹ sư, nhà hoạch định chính sách và nhà đầu tư trên toàn cầu để biến tiềm năng thành hiện thực một cách bền vững và hiệu quả.