Nghiên cứu mở rộng sử dụng năng lượng sinh khối

Việc sử dụng năng lượng sinh khối để sản xuất điện đang được đẩy mạnh như một giải pháp để các quốc gia giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tăng tốc quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo nhu cầu nhiên liệu sinh học từ nguyên liệu sinh khối toàn cầu sẽ tăng 20% trong vòng 5 năm tới. Các nhà máy điện sinh khối không chỉ tạo ra năng lượng tái tạo mà còn mang lại lợi ích về giảm nguy cơ cháy rừng và tăng cường chất lượng không khí thông qua loại bỏ nhu cầu đốt rơm rạ sau thu hoạch lúa của người nông dân.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aston ở Birmingham, Anh đang tham gia vào một dự án sử dụng sinh khối từ rơm, rạ tại Indonesia để sản xuất điện năng chi phí thấp ở quy mô thương mại. Quá trình công nghệ bao gồm việc nhiệt phân rơm, rạ đến nhiệt độ khoảng 500 độ C làm phá vỡ các cấu trúc hữu cơ, tạo ra hơi và một số sản phẩm rắn. Hơi sinh ra bao gồm các loại khí và các giọt chất lỏng cực nhỏ sau đó được ngưng tụ thành dầu sinh học. Theo các nhà nghiên cứu, cả hơi nhiệt phân và dầu sinh học đều có thể được sử dụng để chuyển đổi thành điện năng.

Hình 1. Rơm rạ là nguồn nhiên liệu khả thi cho các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu sinh khối ở một số khu vực trên thế giới. (Nguồn: Creative Commons / Toshihiro Matsui).

Công ty Carnot Limited đã được cấp bằng sáng chế cho công nghệ đốt cháy sinh khối được tin rằng có thể chuyển đổi khoảng 70% nhiệt năng của rơm thành điện năng. Nghiên cứu trên cũng hướng đến phát triển một dự án phát điện sinh khối thương mại trên đảo Lombok của Indonesia với mục tiêu mở rộng mô hình này sang các quốc gia có tiềm năng sinh khối. Dự án sẽ được triển khai vào tháng 4 năm nay với tổng số tiền tài trợ là 1,5 triệu bảng Anh (1,8 triệu USD) từ Innovate UK. Nhóm nghiên cứu Đại học Aston cũng đang hợp tác với hai doanh nghiệp khác có trụ sở tại Vương quốc Anh là PyroGenesys và Straw Innovations nhằm thu hoạch, thu gom rơm rạ và nghiên cứu công nghệ PyroChemy có thể chuyển đổi 70% rơm, rạ thành hơi hoặc dầu sinh học để sản xuất điện. Phần còn lại của chất thải sẽ được chuyển đổi thành than sinh học giàu dinh dưỡng, có thể được sử dụng làm phân bón cho lúa hoặc các trang trại khác.

PT Perusahaan Listrik Negara (PLN), tập đoàn điện lực thuộc sở hữu của Chính phủ Indonesia cũng đang triển khai công nghệ đồng đốt sinh khối tại các nhà máy điện của mình để thay thế các tổ máy điện đốt than đã ngừng hoạt động. Công nghệ đồng đốt sinh khối đang được PLN triển khai tại 33 nhà máy nhiệt điện than và có thể tăng thêm 52 tổ máy trong vài năm tới.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ấn Độ (IISc) gần đây cho biết có thể sản xuất hydro thông qua năng lượng từ sinh khối. Quá trình này bắt đầu bằng việc chuyển đổi nhiên liệu sinh khối thành khí tổng hợp (syngas) trong một lò phản ứng sử dụng oxy và hơi nước. Hydro tinh khiết sau đó được sản xuất từ khí tổng hợp bằng cách sử dụng thiết bị tách khí áp suất thấp. Công nghệ này tạo ra 100 g hydro từ 1 kg sinh khối mặc dù chỉ có 60 g hydro có trong 1 kg sinh khối. Điều này khả thi là do hơi nước chứa hydro tham gia vào trong quá trình phản ứng. Công nghệ này có thể giúp khử cacbon trong ngành sản xuất thép hoặc sử dụng để sản xuất ethanol và metanol.

Các quy định mới thúc đẩy các dự án năng lượng mặt trời kết hợp hệ thống lưu trữ năng lượng tại Hoa Kỳ

Các chính sách mới tại Hoa Kỳ đang hướng đến sự phát triển của các cơ sở lắp đặt năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống tích trữ năng lượng. Đặc biệt là sau khi Đạo luật Giảm lạm phát (IRA) được Tổng thống Hoa Kỳ Biden ký ban hành năm ngoái với các khoản tín dụng thuế và các điều khoản hỗ trợ cho cả ngành sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời và pin tích trữ năng lượng.

Một số Ủy ban dịch vụ công cộng ở các bang của Hoa Kỳ trong thời gian gần đây đã giảm tỉ lệ điện năng dư thừa bán lên lưới điện từ các hộ gia đình sử dụng tấm năng lượng mặt trời đối với hệ thống đo lường năng lượng ròng (NEM). Hoạt động này được cho rằng sẽ ảnh hưởng đến chi phí đầu tư hệ thống và làm chậm tốc độ tăng trưởng của các hệ thống năng lượng mặt trời dân dụng. Tuy nhiên các nhà lập pháp cho rằng các chính sách mới sẽ khuyến khích việc sử dụng bộ tích trữ năng lượng gắn liền với hệ thống pin năng lượng mặt trời. Một ví dụ để so sánh là chính sách tương tự được ban hành tại Liên bang Đức từ một thập kỷ trước đã tạo ra sự tăng trưởng ổn định của hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với pin tích trữ năng lượng và thậm chí tốc độ này còn tăng nhanh hơn trong giai đoạn gần đây. EUPD Research cho biết khoảng 220.000 hệ thống lưu trữ năng lượng dân dụng mới đã được kết nối với hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà ở Đức trong năm 2022.

Hình 2. Minh họa dự án năng lượng mặt trời kết hợp hệ thống lưu trữ năng lượng Gemini 690MW đang được xây dựng gần Las Vegas, Nevada. (Nguồn: IHI Terrasun Solutions)

Bên cạnh việc thay đổi quy tắc NEM, các phương án thỏa thuận mua bán điện (PPA) và các ưu đãi trong Đạo luật Giảm lạm phát cũng tiếp tục thúc đẩy tăng trưởng năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống lưu trữ thông qua hỗ trợ các nhà phát triển dự án cũng như các công ty sản xuất pin mặt trời và hệ thống tích trữ năng lượng của Hoa Kỳ. Các nhà phát triển như National Grid Renewables, Microvast, DSD Renewables (DSD) và Black Bear Energy đều công bố phát triển các dự án năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống tích trữ năng lượng.

Thống kê cho thấy tổng thời gian mất điện ở Hoa Kỳ đã tăng hơn gấp đôi kể từ năm 2015 và với tần suất thiên tai gia tăng như hiện nay, nguy cơ xảy ra mất điện trong tương lai là điều không thể tránh khỏi. Công nghệ năng lượng mặt trời kết hợp với pin lưu trữ năng lượng có thể giải quyết các trường hợp mất điện và thích ứng với một tương lai điện khí hóa bằng cách tích hợp với xe điện, bơm nhiệt và các thiết bị gia dụng khác giúp người tiêu dùng quản lý hóa đơn năng lượng gia đình và kiểm soát hệ thống năng lượng tương lai của chính họ.

Các nhà máy điện năng lượng sóng biển đang được thử nghiệm tại nhiều Quốc gia.

Năng lượng từ đại dương từ lâu đã được ca ngợi là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết tổng nguồn năng lượng biển sẵn có ở Hoa Kỳ tương đương với khoảng 57% tổng sản lượng điện của Hoa Kỳ vào năm 2019. Nếu được phát triển, nó có thể cung cấp cho các cộng đồng ven biển Hoa Kỳ nguồn năng lượng tại chỗ có chi phí thấp và không phát thải khí nhà kính. Tương tự tại Hoa Kỳ, năng lượng sóng cũng cho thấy tiềm năng phát triển tại châu Âu khi dự kiến sẽ tạo ra 188 GW điện, chiếm 10% tổng nhu cầu điện của châu Âu vào năm 2015. Ngoài ra Châu Âu có các quy định, trợ cấp tiên tiến nhất và các điều kiện thuận lợi khác cho các công nghệ năng lượng sóng như một phần trong chương trình nghị sự về nền kinh tế xanh tổng thể của mình.

Ngày 12 tháng 01 vừa qua, Công ty Eco Wave Power của Israel đã công bố dự án xây dựng một trong những nhà máy điện năng lượng sóng biển đầu tiên của Hoa Kỳ tại khuôn viên rộng 142 mét vuông của AltaSea nằm ở Cảng Los Angeles.

Công nghệ năng lượng sóng trên bờ của Eco Wave thu năng lượng từ sóng biển ở độ cao 0,5 mét (20 inch) bằng cách sử dụng phao nổi và bộ chuyển đổi năng lượng. Cụ thể hơn, chuyển động của sóng tác động lên các phao làm nén và giải nén các pít-tông thủy lực, quá trình này giúp truyền chất lỏng thủy lực vào các bình tích áp đặt trên đất liền. Áp suất trong các bình này làm quay một động cơ thủy lực, qua đó quay trục máy phát điện và phát điện lên lưới điện thông qua một bộ biến tần. Toàn bộ hoạt động này được điều khiển và giám sát bởi hệ thống tự động hóa thông minh. Khi sóng quá cao so với thiết kế hệ thống, phao sẽ được tự động nâng lên cao hơn mực nước và giữ nguyên vị trí hướng lên cho đến khi đủ điều kiện hoạt động trở lại.

Dự án tại AltaSea cũng cho thấy một ưu điểm khác của công nghệ điện sóng biển Eco Wave đó là khả năng dễ dàng vận chuyển và tái sử dụng để phù hợp với nhu cầu năng lượng của từng khu vực khi tận dụng lại hệ thống phát điện sóng biển từ một dự án thử nghiệm ở Gibraltar bởi EcoWave từ năm 2016 đến tháng 01 năm 2022.

Hình 3. Công nghệ năng lượng sóng trên bờ của Eco Wave Power là một công nghệ “thông minh” và tiết kiệm chi phí đã được cấp bằng sáng chế để biến sóng biển thành điện xanh. (Nguồn: Eco Wave Power)

Eco Wave cũng đang theo đuổi một số dự án khác trên thế giới, như: dự án EWP-EDF 1 phát điện từ sóng biển đầu tiên tại Israel có công suất 100kW đang trong giai đoạn hòa lưới và chuẩn bị đưa vào vận hành; dự án nhà máy năng lượng sóng có công suất 2MW tại Port Adriano, Tây Ban Nha; một dự án khác có công suất đặt 77MW ở Thổ Nhĩ Kỳ.

Đẩy mạnh phát triển các dự án điện địa nhiệt tại Kenya và Hoa Kỳ

Kenya đang chuẩn bị khởi công xây dựng dự án điện địa nhiệt Menengai có công suất 35MW trị giá 108 triệu đô la ở vùng Nakuru được phát triển bởi công ty Globeleq. Nhà máy điện địa nhiệt này nằm trong giai đoạn đầu tiên của khu phức hợp địa nhiệt Menengai rộng lớn hơn, là vùng địa nhiệt có quy mô lớn thứ hai của Kenya.

Menengai là một hệ thống địa nhiệt nhiệt độ cao bao gồm miệng núi lửa Menengai. Đây là một trong số các mỏ địa nhiệt đang được phát triển ở khu vực Thung lũng Rift được ước tính có tiềm năng địa nhiệt lên tới 10GW của Kenya.

Dự án Menengai của Globeleq là một phần trong cam kết của Kenya được công bố tại COP27 vào tháng 11 năm 2022 nhằm đẩy nhanh các dự án đầu tư năng lượng xanh trị giá 3,99 tỷ USD. Các thỏa thuận tài chính cho dự án đã được ký kết vào tháng 12 năm 2022 với Ngân hàng Phát triển Châu Phi (AfDB), Ngân hàng Thương mại & Phát triển Đông và Nam Phi và Finnfund. Sau khi đi vào hoạt động, điện từ Menengai sẽ được bán cho công ty phân phối điện quốc gia Kenya Power theo hợp đồng mua bán điện 25 năm.

Hình 4. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên của Kenya công suất 15 MW được đưa vào vận hành năm 1981 và bổ sung thêm 15 MW vào năm 1985. Tháng 2 này nhà máy đã được bổ sung thêm hai tổ máy công suất 70 MW. (Nguồn: Toshiba Corp)

Tổ hợp năng lượng địa nhiệt duy nhất đang vận hành hiện nay của Kenya là Dự án Địa nhiệt Olkaria nằm trong Công viên Quốc gia Hell’s Gate gần Hồ Naivasha tại Hạt Nakuru. Năm trong số sáu nhà máy điện địa nhiệt tại địa điểm này thuộc sở hữu của công ty KenGen và một nhà máy thuộc sở hữu của Ormat Technologies. Các nhà máy của KenGen có tổng công suất là 799GW.

Tại Hoa Kỳ, khoản tài trợ lên tới 74 triệu USD cho bảy dự án thử nghiệm hệ thống địa nhiệt tăng cường (Enhanced Geothermal System - EGS) được công bố bởi Bộ năng lượng nước này để nghiên cứu sự khác biệt trong các bối cảnh địa chất, các kỹ thuật phát triển và định hướng giếng địa nhiệt khác nhau.

EGS là các bồn chứa địa nhiệt nhân tạo được thực hiện bằng cách khoan các giếng có độ sâu từ 3 đến 10 km xuống dưới lòng đất tới khu vực đá nóng có nhiệt độ từ 175 độ C đến hơn 300 độ C nhưng có độ thấm tự nhiên hoặc độ bão hòa chất lỏng rất ít hoặc không có. Với công nghệ EGS, chất lỏng được bơm vào lớp đá nóng trong các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ, làm cho các vết nứt trong lớp đá nóng khôi phục tính thấm. Tính thấm tăng lên cho phép chất lỏng lưu thông khắp lớp đá nóng và được bơm lên mặt đất để sản xuất ra điện.

Hình 5. Hình minh họa hệ thống địa nhiệt tăng cường (Nguồn: ITIF).

Những nỗ lực khám phá EGS đã được tiến hành từ những năm 1970. Hầu hết vẫn còn trên quy mô nhỏ, chủ yếu là do thể tích bồn địa nhiệt không đủ, khó khoan và gây ra địa chấn.

Các dự án EGS được tài trợ sẽ được phân theo 4 chủ đề thử nghiệm. Trong chủ đề 1, các cuộc thử nghiệm EGS sẽ sử dụng cơ sở hạ tầng tương tự với các công nghệ địa nhiệt hoặc thủy nhiệt hiện có. Chủ đề này nhằm mục đích khám phá các dự án “có tiềm năng sản xuất điện ngay lập tức” giúp tăng sản lượng của các bồn địa nhiệt hiện tại lên ít nhất 5MW mỗi địa điểm hoặc mỗi giếng.

Chủ đề 2 sẽ khám phá các địa điểm hiện chưa phát triển các dự án năng lượng địa nhiệt nhưng có tiềm năng địa nhiệt từ đá trầm tích, đá nóng với tiềm năng sản xuất điện trong thời gian ngắn.

Trong chủ đề 3, các thử nghiệm sẽ giải quyết các nguồn EGS siêu nóng hoặc siêu tới hạn (hơn 375 độ C). Trong chủ đề 4 các cuộc thử nghiệm EGS sẽ được tổ chức tại một địa điểm nổi bật ở miền đông Hoa Kỳ với tiềm năng sản xuất điện và nhiệt điện trong thời gian ngắn.

Dự báo của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) cho thấy tổng công suất địa nhiệt được lắp đặt ở Hoa Kỳ có thể tăng lên 38,3 GWe vào năm 2035 và 90,5 GWe vào năm 2050. Năng lượng địa nhiệt hiện đang tạo ra khoảng 3,7GW điện ở Mỹ. Cùng với đó, một số dự án EGS do các doanh nghiệp tư nhân thực hiện đang dần dần đạt được tiến bộ, thu hút sự quan tâm và đầu tư phát triển.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

Tài liệu tham khảo:

1. Researchers Exploring Ways to Expand Use of Biomass - https://www.powermag.com/researchers-exploring-ways-to-expand-use-of-biomass/

2. New Rules, Incentives Shaping Solar-Plus-Storage Market - https://www.powermag.com/new-rules-incentives-shaping-solar-plus-storage-market/

3. Pioneering U.S. Wave Energy Power Plant Unveiled - https://www.powermag.com/pioneering-u-s-wave-energy-power-plant-unveiled/?oly_enc_id=2771F7176545I4G

4. Kenya Gearing Up to Build 35-MW Geothermal Power Plant at Menengai Steam Field - https://www.powermag.com/kenya-gearing-up-to-build-35-mw-geothermal-power-plant-at-menengai-steam-field/?oly_enc_id=2771F7176545I4G

5. DOE Dedicates Funding for Up to Seven EGS Geothermal Pilot Demonstrations - https://www.powermag.com/doe-dedicates-funding-for-up-to-seven-egs-geothermal-pilot-demonstrations/

6. How an Enhanced Geothermal System Works - https://www.energy.gov/eere/geothermal/how-enhanced-geothermal-system-works