Năng lượng sóng biển là gì ? Ứng dụng của năng lượng sóng
Năng lượng sóng là nguồn năng lượng tái tạo được tạo ra từ chuyển động của sóng biển dưới tác động của gió và lực hấp dẫn. Với mật độ cao hơn nhiều so với gió và mặt trời, đây là tiềm năng lớn cho phát triển năng lượng sạch. Cùng DAT Group khám phá khái niệm, nguồn gốc, ưu nhược điểm và tiềm năng khai thác năng lượng sóng tại Việt Nam và trên thế giới.
1. Khái niệm năng lượng sóng
Năng lượng sóng biểu thị năng lượng cơ học do sóng biển truyền tải từ gió vào nước. Năng lượng của sóng sinh ra khi gió thổi trên mặt biển tạo ra dao động và lan truyền sóng. Công thức tính công suất sóng cho thấy mối liên hệ giữa chiều cao sóng, chu kỳ sóng và khối lượng riêng của nước:
P = (ρ × g² × H² × T) / (64π)
Trong đó:
- P là công suất sóng (W/m),
- ρ là khối lượng riêng của nước biển (~1025 kg/m³),
- g là gia tốc trọng trường (9,81 m/s²),
- H là chiều cao sóng (m),
- T là chu kỳ sóng (s).
Công thức này cho thấy năng lượng sóng tỷ lệ thuận với bình phương chiều cao sóng và chu kỳ sóng, nghĩa là vùng biển có sóng cao và ổn định sẽ sinh ra công suất lớn hơn.
2. Nguồn gốc của năng lượng sóng biển
Nguồn gốc của năng lượng sóng bắt đầu từ việc gió thổi trên mặt biển và truyền năng lượng vào các lớp nước phía dưới, và trong quá trình đó năng lượng của sóng được hình thành khi lớp nước dao động theo hình elip hoặc xoáy mà không phải di chuyển theo hướng sóng.
Khi gió hoạt động đủ mạnh và liên tục trên một khoảng diện tích lớn (fetch) và thời gian đủ dài, sóng sẽ phát triển với chiều cao và chu kỳ lớn hơn, do đó chứa nhiều năng lượng hơn.
Thêm vào đó, địa hình đáy biển, độ sâu và hình dạng bờ biển ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ lan truyền và tăng trưởng của sóng: khi sóng từ vùng nước sâu tiến vào vùng nước nông, ma sát đáy và biến dạng của dao động khiến sóng trở nên cao hơn, và điều này làm tăng khả năng khai thác năng lượng sóng.
Cuối cùng, ngoài gió, một phần nhỏ năng lượng của sóng còn có thể đến từ lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời (sóng thủy triều), hoặc do các sự kiện địa chất như động đất dưới nước, tuy những nguồn này ít được sử dụng trong khai thác thương mại.
3. Năng lượng sóng và dòng năng lượng sóng
Dòng năng lượng sóng thể hiện lượng năng lượng sóng di chuyển qua một đơn vị diện tích mặt biển trong một khoảng thời gian nhất định và đường truyền này phản ánh trực tiếp khả năng khai thác năng lượng của sóng tại khu vực đó.
Khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu xuống vùng nước nông, tốc độ lan truyền giảm nhưng mật độ năng lượng tăng lên, dẫn đến việc tập trung năng lượng sóng ở gần bờ và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết lập thiết bị thu năng lượng.
Việc xác định dòng năng lượng sóng giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu lựa chọn vị trí đặt thiết bị và tính toán sản lượng khai thác dựa trên năng lượng của sóng thay vì chỉ dựa vào chiều cao hoặc chu kỳ sóng riêng lẻ.
Đồng thời, dòng năng lượng sóng phản ánh rõ mối quan hệ giữa chiều cao sóng, chu kỳ sóng và tốc độ lan truyền, từ đó tạo ra một cơ sở vật lý cho việc đánh giá tiềm năng khai thác năng lượng sóng ở các khu vực khác nhau.
4. So sánh năng lượng sóng và các năng lượng khác
Phần so sánh dưới đây giúp làm rõ vị thế của năng lượng sóng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Thấy sự khác biệt về hiệu suất, tính ổn định và khả năng khai thác so với các năng lượng khác trong thực tế.
| Tiêu chí | Năng lượng sóng | Năng lượng gió | Năng lượng mặt trời |
| Mật độ năng lượng | Mức độ rất cao — sóng biển có mật độ năng lượng lớn hơn nhiều so với gió và mặt trời. | Mật độ thấp hơn so với sóng, phụ thuộc rất mạnh vào tốc độ gió | Mật độ thấp hơn đáng kể so với sóng và gió, phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời |
| Khả năng ổn định / thời gian hoạt động | Tương đối ổn định hơn vì sóng được truyền tự nhiên và liên tục → khai thác “năng lượng của sóng” có thể gần liên tục. | Biến đổi mạnh theo điều kiện gió, có những lúc gián đoạn | Phụ thuộc vào thời gian ban ngày, thời tiết, mùa |
| Phạm vi khai thác / địa điểm thích hợp | Phù hợp với vùng biển có sóng mạnh, thường là ven bờ hoặc ngoài khơi sâu | Có thể triển khai trên đất liền hoặc ngoài khơi | Có thể đặt trên mái nhà, đất trống, vùng nhiều ánh sáng |
| Độ trưởng thành công nghệ & chi phí | Công nghệ vẫn đang phát triển, chi phí thường cao hơn và ít được ứng dụng quy mô lớn. | Công nghệ đã trưởng thành, chi phí đã giảm đáng kể | Công nghệ đã rất phổ biến, chi phí thấp, áp dụng rộng rãi |
| Tác động môi trường & cảnh quan | Ít ảnh hưởng tới cảnh quan nếu đặt ngoài khơi; nhưng cần xem xét ảnh hưởng tới hệ sinh thái biển | Có thể ảnh hưởng đến cảnh quan và tiếng ồn ngoài khơi | Ít ảnh hưởng cảnh quan nếu đặt hợp lý; nhưng cần quản lý đầu vào vật liệu và tái chế |
| Khả năng bổ sung cho lưới điện | Có khả năng hỗ trợ lưới khi gió và mặt trời thiếu → “năng lượng của sóng” có thể bổ sung tốt. | Là nguồn chính trong nhiều khu vực, nhưng có biến động | Là nguồn chủ đạo ở nhiều khu vực nhưng có khoảng trống khi trời tối hoặc mây che |
| Yêu cầu kỹ thuật / thách thức | Thiết bị phải chịu điều kiện khắc nghiệt (muối biển, sóng lớn), chi phí bảo trì cao | Kỹ thuật ngoài khơi và chọn địa điểm tốt | Chủ yếu vấn đề về lắp đặt, hiệu suất, tái chế thiết bị |
5. Ưu điểm, nhược điểm của năng lượng sóng biển
Để hiểu rõ hơn giá trị thực tiễn của năng lượng sóng, phần này trình bày các ưu điểm và nhược điểm chính, làm rõ tiềm năng khai thác cũng như những rào cản kỹ thuật cần vượt qua trong tương lai gần.
5.1. Ưu điểm
- Nguồn năng lượng dồi dào và liên tục: Sóng biển tồn tại quanh năm, giúp năng lượng sóng trở thành nguồn tái tạo ổn định hơn so với năng lượng gió hay mặt trời.
- Mật độ năng lượng cao: Mỗi mét vuông sóng biển chứa lượng năng lượng lớn, tăng hiệu quả khai thác và giảm diện tích cần thiết cho hệ thống.
- Không phát thải khí nhà kính: Việc chuyển đổi năng lượng của sóng sang điện không gây ô nhiễm, góp phần giảm tác động đến biến đổi khí hậu.
- Tận dụng vùng biển rộng lớn: Có thể triển khai xa bờ, không chiếm đất liền và ít ảnh hưởng đến cảnh quan.
- Khả năng kết hợp với các hệ thống khác: Dễ tích hợp cùng tuabin gió ngoài khơi hoặc hệ thống lưu trữ điện để tối ưu hiệu quả.
5.2. Nhược điểm
- Chi phí đầu tư và bảo trì cao: Thiết bị phải chịu môi trường biển khắc nghiệt, gây tốn kém trong vận hành và bảo dưỡng.
- Công nghệ chưa hoàn thiện: So với năng lượng mặt trời hay gió, công nghệ khai thác năng lượng sóng vẫn đang trong giai đoạn phát triển thử nghiệm.
- Ảnh hưởng đến sinh thái biển: Các thiết bị lớn có thể tác động đến sinh vật dưới nước hoặc thay đổi dòng chảy tự nhiên.
- Phụ thuộc vào điều kiện địa lý: Không phải khu vực nào cũng có sóng đủ mạnh để khai thác hiệu quả.
- Khó khăn trong truyền tải điện: Các hệ thống xa bờ cần đường truyền đặc biệt để đưa điện vào đất liền, làm tăng chi phí và rủi ro kỹ thuật.
6. Các ứng dụng của năng lượng sóng biển
Những ứng dụng dưới đây cho thấy tiềm năng to lớn của năng lượng sóng, không chỉ trong phát điện mà còn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Năng lượng này đang dần trở thành giải pháp bền vững cho đời sống và sản xuất ven biển.
- Phát điện quy mô lớn: Hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng thành điện năng có thể được lắp đặt tại vùng ven biển hoặc xa bờ, cung cấp nguồn điện ổn định cho lưới quốc gia và các khu công nghiệp gần biển.
- Cung cấp điện cho đảo và khu vực hẻo lánh: Năng lượng của sóng được ứng dụng để tạo ra điện độc lập cho các đảo nhỏ, trạm nghiên cứu ngoài khơi hoặc khu vực không thể tiếp cận bằng hệ thống điện lưới.
- Khử mặn nước biển: Các thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng biển có thể kết hợp với hệ thống lọc, cung cấp nguồn nước ngọt cho sinh hoạt và nông nghiệp ở khu vực ven biển khan hiếm nước.
- Hỗ trợ hệ thống nuôi trồng thủy sản: Sóng được khai thác để vận hành thiết bị bơm nước, tạo dòng chảy tuần hoàn hoặc cung cấp oxy cho các trang trại nuôi trồng hải sản.
- Kết hợp năng lượng lai (Hybrid energy systems): Năng lượng của sóng có thể tích hợp với năng lượng gió và mặt trời nhằm tạo ra hệ thống cung cấp điện bền vững, tăng độ ổn định và giảm chi phí vận hành.
7. Tiềm năng và thực trạng khai thác năng lượng sóng trên thế giới và tại Việt Nam [3]
Dưới đây là tổng quan về tình hình khai thác và tiềm năng phát triển năng lượng sóng, từ quy mô toàn cầu đến Việt Nam, cho thấy cơ hội mở rộng năng lượng của sóng trong tương lai gần.
7.1. Trữ lượng và khu vực tiềm năng trên thế giới
Nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng sóng trên toàn cầu có tiềm năng lý thuyết khoảng 30.000 TWh / năm, lớn hơn tổng lượng điện tiêu thụ hiện nay khoảng 20 %. Khu vực có tiềm năng khai thác cao nhất bao gồm bờ Tây Âu, bờ biển Bắc Mỹ, Úc và New Zealand vì nhận nhiều gió mạnh và sóng lớn.
Khu vực bờ biển cho mật độ năng lượng sóng trung bình có thể đạt 15-20kW/m theo chiều dài sóng, và thiết lập các trang trại năng lượng sóng tại những vùng này là hướng được ưu tiên.
7.2. Thực trạng khai thác năng lượng sóng hiện nay
Mặc dù tiềm năng lớn, nhưng việc chuyển đổi năng lượng sóng thành điện thương mại còn rất giới hạn. Lộ trình hiện nay mới chỉ đạt công suất vài chục MW trên toàn thế giới (ví dụ công suất lắp đặt khoảng 26,4 MW trong một số hệ thống vào năm 2021).
Chi phí sản xuất điện từ sóng vẫn cao, ước tính trong khoảng 22-25 pence/kWh ở các dự án thử nghiệm. Nói cách khác, công nghệ khai thác năng lượng sóng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm, chưa đạt đến mức phổ biến hoặc cạnh tranh với các nguồn tái tạo khác.
7.3. Tiềm năng và triển vọng phát triển tại Việt Nam
Việt Nam với bờ biển dài hơn 3.444 km và vùng biển chịu ảnh hưởng gió mùa mạnh có tiềm năng đáng kể để khai thác năng lượng sóng. Nghiên cứu từ vùng duyên hải miền Trung xác định rằng mật độ năng lượng sóng có thể đạt tới 29 kW/m tại một số điểm vào tháng 12.
Một báo cáo khác cho biết tiềm năng lý thuyết của năng lượng sóng Việt Nam có thể lên tới 212 TWh/năm, trong đó vùng Quảng Ngãi đến Ninh Thuận chiếm khoảng 42,4 % tổng tiềm năng.
Với điều kiện tự nhiên thuận lợi, nếu có chính sách hỗ trợ và đầu tư công nghệ phù hợp thì Việt Nam hoàn toàn có khả năng biến năng lượng sóng thành một phần quan trọng trong chiến lược năng lượng tái tạo của quốc gia.
Năng lượng sóng là nguồn tài nguyên tái tạo dồi dào, đóng vai trò quan trọng trong mục tiêu chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu. Với bờ biển dài và điều kiện sóng thuận lợi, Việt Nam có tiềm năng lớn phát triển nguồn năng lượng này. Liên hệ DAT Group qua https://datsolar.com/ để được tư vấn chi tiết về các giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả và bền vững.
Nguồn tham khảo:
[1] 10.2 Waves at Sea – Introduction to Oceanography. (n.d.)
[2]Wave Energy Pros And Cons. (n.d.)
The hybrid plant that combines wave, wind and solar power – NoviOcean. (n.d.)
Why Wave Power Has Lagged Far Behind as Energy Source – Yale E360. (n.d.)
A Window Into the Future of Wave Energy | NREL. (n.d.)
[3] Wave energy potential in Vietnam –. (n.d.)
Falcão, A. F. de O. (2010). Wave energy utilization: A review of the technologies.
Brown, A. (2009). WAVE ENERGY GENERATION: HIGH EXPECTATIONS AND CURRENT REALITY IN THE UK.
