1. Nhu cầu thực tiễn

Việc trái đất ấm lên do hiệu ứng nhà kính từ hậu quả con người sử dụng nhiên liệu như dầu, than . Đó là tai họa mà con người phải đối mặt.

Việt Nam đã cam kết phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 tại Hội nghị COP26  và quyết định tham gia Thỏa thuận Đối tác chuyển đổi năng lượng công bằng (JETP) với một số nước G7 và đối tác quốc tế khác.

Để thực hiện phát thải ròng bằng 0, người ta đặt ra tiêu chí mọi nguồn năng lượng cần tạo ra “Hydrogen xanh”. Có nghĩa là nguồn điện năng để điện phân lấy H₂ là nguồn không phát thải CO₂ . Từ  “Hydrogen xanh” sẽ được dùng cho nhiệt điện và các động cơ  với phát thải là nước H­­­­­­₂0.

Hiện nay trên thế giới phổ biến Điện mặt trời và Điện gió.

Điện mặt trời có nhược điểm là quá trình chế tạo tế bào quang điện và xử lý khi hết thời gian khai thác khó khăn. Quá trình khai thác chiếm nhiều diện tích bề mặt trái đất ảnh hưởng thảm thực vật.

Điện gió có nhược điểm là chiếm nhiều diện tích mặt đất và nơi đặt cột điện gió dân cư không thể cư trú vì tiếng ồn và ảnh hưởng đến chim. Cánh quạt bằng composite khó xử lý khi hết thời gian khai thác.

Việt Nam phải nhập khẩu toàn bộ công nghệ Điện mặt trời và Điện gió và giá thành còn rất cao chưa đáp ứng nhu cầu điện phân lấy Hydrogen.

       2.Nguồn Tài nguyên dòng hải lưu ở Việt Nam

Tác giả tin rằng dòng hải lưu ở Biển Đông Việt Nam là sự cộng hưởng của 2 dòng hải lưu tầng mặt và tầng đáy . Sau đây chúng ta cần hiểu nguyên nhân sự hình thành của hai dòng hải lưu trên.

2.1 Dòng hải lưu tầng mặt.

Việt Nam nằm trong khu vực gió mùa. Gió thổi tác động vào mặt biển và tạo ra dòng hải lưu tầng mặt. Gió mùa Đông Bắc tồn tại 8-9 tháng/năm nên dòng hải lưu tầng mặt cũng tồn tại trong thời gian trên. Dòng hải lưu tầng mặt có hướng Bắc-Nam chạy dọc theo bờ biển miền Trung.

( Nhà nước Việt Nam cần thu thập tài liệu thống kê về tốc độ dòng hải lưu tầng mặt ).

2.2 Dòng hải lưu tầng đáy.

Hình _01 : Thí nghiệm để tìm dòng hải lưu tầng đáy

Dùng hai bình nước C và X có nước màu khác nhau và mặt thoáng lớn. Dùng ống nhựa trong nối nước tầng mặt  2 bình và ống thứ 2 nối nước tầng đáy 2 bình. Dùng đèn nhiệt chiếu vào mặt thoáng bình X. Ta thấy dòng chảy tầng mặt từ X đến C và dòng tầng đáy từ C đến X. Khi tăng đèn chiếu, tốc độ dòng chảy tăng lên.

Coi C là cực Bắc và X là Xích đạo. Do chênh lệnh nhiệt nên có dòng chảy tầng đáy từ Cực về Xích đạo. Sự di chuyển này độc lập với sự di chuyển quay của trái đất nên dòng hải lưu tầng đáy vừa di chuyển theo hướng Bắc-Nam vừa di chuyển theo hướng Đông-Tây theo nguyên tắc của lực Coriolic mà các sĩ quan pháo binh đều biết.

Từ phân tích này, tồn tại dòng hải lưu tầng đáy trong 365 ngày/năm.

Nhờ bờ Tây Thái Bình dương ở bán cầu Bắc lệch dần về hướng Tây khi tiến về Xích đạo nên nguồn năng lượng dòng hải lưu đã đưa đến bờ biển miền Trung Việt Nam.

Lý thuyết trên lý giải sự hình thành các bãi cát trắng bắt đầu xuất hiện từ  Quảng Bình và hiện tượng mũi Cà Mau cong về hướng Tây.

Lý thuyết trên cũng chỉ ra các vịnh ở bờ Biển Đông sẽ sâu khi vịnh chống lại dòng hải lưu tầng đáy vào vịnh và không có sông lớn từ dãy núi Trường Sơn đổ vào vịnh, như vịnh Vân Phong, vịnh Cam Ranh, vịnh Vũng Rô.

Dòng hải lưu tầng đáy vừa di chuyển từ Bắc xuống Nam , vừa di chuyển từ Đông sang Tây, tổng hợp lại có hướng chính Bắc-Nam chạy dọc theo bờ biển miền Trung.

Chúng ta có thể  tìm số liệu của từng dòng tầng mặt và tầng đáy, đồng thời tìm các số liệu chung khi cả 2 dòng cùng cộng hưởng.

( Nhà nước Việt Nam cần thu thập tài liệu thống kê về tốc độ dòng hải lưu tầng đáy )

  2.3 Mỹ  và Đài Loan nhận định về Điện hải lưu ở miền Trung Việt Nam

Theo báo cáo của các nhà khoa học Mỹ và Đài Loan, bờ biển miền Trung Việt Nam là nơi đầy đủ các yếu tố để phát triển điện năng tái tạo từ dòng hải lưu vì 4 lý do :

a/  Gần bờ.
b/  Vùng nước nông,
c/  Tốc độ cao.
d/  Hướng dòng Bắc – Nam ổn định.

Với phương pháp nghiên cứu bằng hình ảnh vệ tinh, Mỹ và Đài Loan công bố 12 điểm ở bờ biển Tây Thái Bình Dương có tốc tộ dòng chảy cao nhất. Trong đó ở bờ biển miền Trung Việt Nam chiếm 7 vị trí tốt nhất, sau đó có 3 điểm ở Nhật, 1 điểm ở Đài Loan và 1 điểm ở Philippine. Bảng so sánh 12 điểm được công bố như sau.

Bảng 1: Với 7 điểm ở miền Trung Việt Nam có tốc độ dòng chảy cao ở bờ Tây Thái bình dương.

Theo các bản đồ địa hình đáy biển mới nhất của Việt Nam, KS. Doãn Mạnh Dũng phát hiện thêm 2 đặc điểm của dòng hải lưu ở miền Trung Việt Nam là :

e/  Độ rộng dòng hải lưu rất rộng ( 24 km tại cửa Gianh) trên cơ sở vết của dòng chảy còn lại trên bản đồ
f/  Độ dài dòng hải lưu rất dài ( 1000 km từ Hòn La – Quảng Bình đến mũi Kê Gà – Bình Thuận ).

Nguồn từ :  www.elsevier.com/locate/renene Renewable Energy 80 (2015)

Trên phương diện lý thuyết:

-Gió Đông Bắc tạo ra dòng chảy mặt. Nên đoạn cuối gió sẽ có tốc độ dòng mạnh nhất.

-Với dòng tầng đáy, chúng vừa di chuyển từ Bắc xuống Nam , vừa  di chuyển từ Đông sang Tây, vì vậy đoạn phía Tây cuối dòng là đoạn có tốc độ cao nhất và là đoạn theo độ dốc của đáy biển trồi lên bờ.

Vì 2 yếu tố trên, tốc độ dòng hải lưu gần bờ sẽ có tốc độ cao hơn khu vực ngoài khơi.

Để kiểm tra nhận định này, cần các tài liệu đo thực địa ở các vùng bờ biển miền Trung Việt Nam.

3. Công nghệ của Thế giới

Hình1 : Có 4 hạn chế đối với cánh quạt truyền thống đang sử dụng.:

a/ Cách quạt chỉ tiếp nhận động năng trong khu vực hoạt động của cánh quạt.

b/ Cách quạt có trọng lượng nên làm tổn thất nhiều năng lượng trong quá trình chuyển đổi từ động năng dòng chảy sang điện năng.

c/ Dòng nước hay gió  bị rớt 47.7 % năng lượng khi chúng băng qua hệ thống cánh quạt truyền thống.

d/ Lực bị mất một phần trước khi làm cánh quạt quay.
Lực chạm vào cánh quạt, chia làm 2 phần, phần đẩy  cánh quạt và phần tạo mô-men làm quay cánh quạt. Phần lực đẩy cánh quạt là phần vô ích. Vì lý do nầy, máy phát điện bằng cánh quạt có giới hạn tốc độ nhỏ nhất của dòng chảy để máy có thể hoạt động.

4.Công nghệ của Việt Nam

 4.1 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện theo công nghệ của Việt Nam

Máy phát điện là một trống hình trụ nổi lơ lững trong nước và quay tự do quanh trục của chính nó theo phương thẳng đứng. Vỏ trống có gờ nhận lực từ dòng chảy. Trống quay ở đây được chuẩn hóa với kích thước hình trụ tròn có đường kính 2 m và cao 2m để có thể vận chuyển bằng công-ten-nơ từ nhà máy đến nơi khai thác.

Hình 2: Trống quay gắn liền với trục để kéo máy phát điện trên mặt nước.

Hình 3: Trống quay được đặt trong khung nhận dòng chảy 1 chiều.

Khung trống cho máy phát điện nhỏ :

L:11,7 m . B : 2,260 m; H : 2,1 m

Khung trống cho máy nhỏ có thể đặt trong công-ten-nơ 40′ để vận chuyển từ nhà máy đến nơi khai thác.

Động năng dòng chảy tác động vào gờ của vỏ trống, tạo ra mô-men quay và làm trống quay. Trống được kết nối với trục và làm quay rotor phía trên mặt nước để phát điện.

Rotor được quay bằng mô-ment nên về lý thuyết, máy có thể hoạt động khi dòng chảy có tốc độ cực thấp.

Một  mô-đun với 2 cột trống quay có thể nhận tối đa động năng theo chiều sâu.

4.2 Máy phát điện được xếp 2 hàng để lấy tối đa động năng theo chiều ngang của dòng chảy

Máy phát điện được xếp thành hai hàng, xen kẽ nhau để máy nhận được động năng tối đa theo chiều ngang.

Hình 4: Máy phát điện được xếp thành 2 hàng và so le với nhau.

4.3 Phương pháp tính toán công suất máy

Mỗi trống  nhận nguồn năng lương có tiết diện H= 2 m,  rộng B = 1 m

Tốc độ dòng chảy : v= 1m/s

Khối lượng nước tác động vào tuabine : 2 m³

Khối lượng m = 2 m³ = 2 . 1000 kg . 9.8 N /kg = 2 . 9800 N

E = 0.5 mv²  = 0.5 . 2 . 9800 N = 9800 N

Trong 1 giây, nguồn năng lượng chuyển vào tuabine là

P=  9800 J/s = 9800 w

Hiệu suất chuyển đổi dự kiến của tuabine  khoảng 70 %

9800 w .70  % tương đương 7000 w

Công suất 1 trống 7.000 w = 7 Kw

Một cặp trống cung ứng nguồn năng lượng :

2 x 7 kw= 14 Kw

Để đơn giản trong tính toán, tạm coi tốc độ chuẩn là 1m/s cho tất  cả các vị trí của dòng chảy.

Công suất được tính tăng theo số trống tham gia khai thác.

Với máy phát 14 Kw có thể cung cấp :

       3600 x 14.000 w = 50.400.000 w = 50400 Kwh = 50,4Mwh

Hiện nay trên thế giới người ta dùng 55 KWh  điện phân được 1 kg hydro lõng  và  khoãng 0.5 kg ô-xy lõng. Giá hydo lõng tại thị trường Nhật : 10 USD/ 1 kg .Giá ô-xy lõng tại Việt Nam : 1 USD/ 1kg.

4.4 Sơ đồ cơ khí cho một mô-dun với 2 trống

 

Hình 5 : Sơ đồ cơ học máy phát điện cho dòng chảy 1 chiều.

Kết cấu chịu lực sẽ thay đổi theo số lượng  trống quay hoạt động.

4.5 Kết nối các mô-đun hình thành nhà máy điện

Mô hình ứng dụng khai thác động năng dòng hải lưu 1 chiều ở miền Trung Việt Nam

Hình 6 : Khối bê tông cốt thép đặt dưới đáy biển để nhận năng lượng dòng chảy.

Khối bê tông cốt thép nhận năng lượng được đúc ở ụ khô hay ụ nổi.

Sau khi đúc xong, thả nổi khối bê tông cốt thép nổi trên mặt nước.

Khối bê tông cốt thép được kéo đến nơi khai thác, đánh chìm và cố định xuống đáy biển.

Trống quay được thả xuống nước khi khai thác và kéo lên để bảo dưỡng.

Hết thời gian khai thác, thùng bê-tông được cho nổi lên mặt nước và kéo đến nơi thanh lý.Trong quá trình khai thác, sinh vật biển có thể di chuyển qua khối bê tông an toàn.

Hình 7:  Sơ đồ  2 D tầng nhận năng lượng cho phép thủy sản di chuyển qua.

Hình 8: Sơ đồ 3 D tầng nhận năng lượng.

Hình 9:  Sơ đồ một nhà phát phát điện dài 394 m kết nối 10 mô-đun.

Nếu nhà máy dài 2000 m , thì có công suất 4,9 MW/s  x 5 =  24.5 MW/s

Nếu nhà máy điện cách nhau 10 km, thì chúng ta có thể có 100 nhà máy điện tại miền Trung Việt Nam với tổng công suất : 2450 MW/s.

4.6 Những ưu điểm công nghệ Điện hải lưu Việt Nam

1/ Có thể khử được trọng lượng của cánh quạt.

2/ Có thể lấy động năng tối đa theo chiều sâu và chiều rộng.

3/ Hệ thống phát điện nằm trên không khí nên giá thành rẻ và dễ bảo dưỡng.

4/ Máy có thể vận hành với tốc độ dòng chảy thấp.

5/ Giá thành phát điện cực rẻ vì hệ thống máy chủ yếu là bê-tông cốt thép đặt dưới đáy biển, có tuổi thọ lớn. Khi khai thác thì thả trống quay xuống đáy biển. Trống quay có thể bảo dưỡng, thay thế đơn giản.

6/ Với lượng điện rất lớn và giá thành thấp nên việc điện phân được ưu tiên để lấy  hydrogen xanh và oxy đóng chai vỏ thép cung ứng cho công nghiệp.

5. Các chính sách cần có

• Hiện tác giả đã hoàn thành 2 máy thí nghiệm khẳng định sự thành công của trống quay.
• Các mô hình công nghệ đã đạt được sự tối ưu về lý thuyết với giá thành cực rẻ. Đây là nền tảng để sản xuất hydrogen xanh và chương trình không phụ thuộc vào lưới điện.
• Nhà nước cần ưu tiên cung cấp số liệu thủy văn, địa hình để đánh giá đúng nguồn Tài nguyên động năng dòng hải lưu của Việt Nam.
• Cho phép thí điểm tại các vị trí thích hợp.

6. Kết luận

Do đặc điểm bờ biển Tây Thái Bình Dương ở Bắc bán cầu, lệch dần về hướng Tây khi tiến về Xích đạo nên đã tạo ra nguồn Tài nguyên dòng hải lưu tập trung ở bờ biển miền Trung Việt Nam. Đây là nguồn năng lượng vũ trụ hình thành từ chênh lệch nhiệt và từ trạng thái quay của trái đất từ Tây sang Đông. Nếu trái đất quay ngược lại, dòng hải lưu trên sẽ biến mất.

Với công nghệ của Việt Nam, nhà máy phát điện sử dụng nguyên liệu chính là bê tông-cốt thép nên giá thành cực rẻ. Đây là nền tảng để sản xuất hydrogen xanh.

Công nghệ điện hải lưu của Việt Nam có thể khai thác ở các dòng đuôi của các thủy điện sử dụng thế năng hồ chứa trên thế giới, các dòng thủy triều, các dòng sông, các dòng hải lưu… vừa tạo ra điện năng vừa giúp chống xói lỡ bờ biển.

Công nghệ điện hải lưu của Việt Nam có giá thành rẻ và lượng điện tái tạo ra cực lớn nên sự phát triển điện hải lưu cần gắn với giải pháp điện phân lấy hydrogen lõng cung cấp cho công nghiệp nhiệt điện hay các động cơ đốt trong ./.