Tài liệu giới thiệu tổng quan về năng lượng tái tạo , cũng như năng lượng thuỷ triều, đưa ra các phương pháp khai thác. Nhấn mạnh, đi sâu hơn vào khai thác năng lượng thuỷ triều bằng phương pháp đập thuỷ triều. Nhận định đặc điểm & ứng dụng của phương pháp này.
Tổng quan về năng lượng thuỷ triều
Năng lượng đại dương và thực trạng khai thác tại Việt Nam
Năng lượng đại dương là một dạng năng lượng tái tạo, được khai thác từ các hiện tượng tự nhiện hay các yếu tố thuộc đại dương hay biển Đại dương có nguồn năng lượng gần như vô hạn, đến từ những nguồn đã được con người phát hiện và nghiên cứu khai thác là năng lượng sóng biển, năng lượng thuỷ triều, năng lượng dòng triều, năng lượng nhiệt và năng lượng gradient độ mặn Trong đó, loại năng lượng đại dương phổ biến nhất hiện nay là năng lượng thuỷ triều/ triều cường, tiếp đó đến năng lượng sóng biển và năng lượng dòng biển.
Năng lượng đại dương có tiềm năng rất lớn, theo dữ liệu của cơ quan năng lượng quốc tế IEA năm 2016: tiềm năng của năng lượng đại dương có thể lên tới 80000 TWh mỗi năm
Kiểu năng lượng Tiềm năng theo năm
Năng lượng thuỷ triều 300 TWh
Năng lượng dòng biển 800 TWh
Năng lượng nhiệt đại dương 2,000 TWh
Năng lượng muối biển 10,000 TWh
Bảng 1 Tiềm năng năng lượng biển theo IEA
Tại Việt Nam, các chuyên gia trong và ngoài nước cho rằng: với đường bờ biển dài hơn 3000km, cùng với cường độ song biển lớn, tiềm năng năng lượng đại dương của nước ta là vô cùng lớn Tuy nhiên, vì nhu cầu năng lượng chưa đủ cao, cùng với đó là sự khiêm tốn về mặt khoa học, kĩ thuật tại lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung hay năng lượng đại dương nói riêng, cho nên thực trạng cho thấy: năng lượng đại dương ở nước ta mới chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển, chưa đi vào khai phá, lắp đặt.
Thuỷ triều & năng lượng thuỷ triều
Thuỷ triều là hiện tượng nước sông hoặc biển dâng lên/ rút xuống theo một chu kì thời gian nhất định, phụ thuộc vào các biến chuyển thiên văn Thuỷ triều được tạo ra do sự chênh lệch lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời tác dụng lên một điểm trên Trái Đất, kết hợp cùng với chuyển động qua của chính Trái Đất.
Hình 1 Sự hình thành hiện tượng thuỷ triều
Những biến đổi thủy triều trải qua các giai đoạn sau:
+ Triều dâng : xảy ra khi mực nước biển dâng lên trong vài giờ, làm ngập vùng gian triều. + Triều cao/ đỉnh triều : nước dâng lên đến điểm cao nhất của nó.
+ Triều xuống : mực nước biển hạ thấp trong vài giờ làm lộ ra vùng gian triều.
+ Triều thấp/ chân triều : nước hạ thấp đến điểm thấp nhất của nó.
Thủy triều tạo ra các dòng chảy có tính dao động gọi là dòng triều hay triều lưu Thời điểm mà dòng triều ngừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng.
Hiện tượng thủy triều phổ biến nhất là bán nhật triều và nhật triều, triều hỗn hợp:
+ Bán nhật triều: chu kì 12 tiếng 25 phút, tức là hai lần nước lớn trong ngày có đỉnh không bằng nhau; chúng bao gồm mực nước lớn cao và mực nước lớn thấp trên đồ thị triều Tương tự đối với hai lần nước ròng gồm nước ròng cao và nước ròng thấp.
+ Nhật triều: chu kì 24 tiếng 50 phút.
+ Triều hỗn hợp: tại một vị trí, có sự thay đổi giữa bán nhật triều và nhật triều theo chu kì nửa tháng.
Hình 2: Thuỷ triều dâng & rút tại vịnh Fundy, Canada
Một số khái niệm của thuỷ triều:
+ Chu kỳ thuỷ triều: thông thường, là khoảng thời gian giữa 2 lần chân triều trong một ngày. + Thời gian triều dâng: khoảng thời gian từ chân triều tới đỉnh chiều kế tiếp.
+ Thời gian triều rút: khoảng thời gian từ đỉnh chiều tới chân triều.
+ Độ lớn triều: Hiệu mực nước cao nhất và thấp nhất của thuỷ triều.
+ Nước đứng: Hiện tượng triều lên cao nhất hoặc thấp nhất sau đó ngưng thay đổi một khoảng thời gian.
Hình 3 Chu kì thuỷ triều dạng bán nhật triều b Năng lượng thuỷ triều:
Theo nghiên cứu của IEA ở trên, năng lượng thuỷ triều toàn cầu có tiềm năng lên tới trên
300 TWh/ năm, có thể đáp ứng lên tới 5% năng lượng hiện tại của toàn cầu Và kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam có tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều cao, bởi có rất nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đường bờ biển dài trên 3.200km Khu vực Quảng Ninh, mật độ năng lượng thủy triều đạt khoảng 3,7 GWh/km 2 , Nghệ An khoảng 2,5 GWh/ km 2 và giảm dần đến khu vực Thừa Thiên Huế với 0,3 GWh/ km 2 ; về phía Nam, Phan Thiết là 2,1 GWh/ km 2 , Bà Rịa - Vũng Tàu với 5,2 GWh/ km 2 Hiện tại lượng nhu cầu điện của nước ta rất cao, đạt 280,000 TWh (theo số liệu năm 2022), tại đỉnh điểm mùa nắng nóng, nước ta đã phải nhập khẩu điện của nước láng giềng Lào Vì vậy, việc tăng cường khai thác năng lượng tái tạo hay triển khai khai thác năng lượng thuỷ triều là một tương lại không xa của nước ta.
Năng lượng thuỷ triều, hay còn được gọi là năng lượng triều cường ( tên tiếng Anh: tidal energy), là một dạng năng lượng đại dương, được khai thác từ hiện tượng thuỷ triều dâng/ rút tại vùng nước gần bờ thông qua hệ thống/ phương pháp: đập thuỷ triều ( tidal power plant), tua bin dòng triều, vịnh thuỷ triều và đầm phá thuỷ triều/ hàng rào thuỷ triều.
Người dân châu Âu lần đầu tiên sử dụng năng lượng thủy triều để vận hành các nhà máy ngũ cốc cách đây hơn 1.000 năm Nước thủy triều đến được giữ lại trong các ao chứa và chuyển động thủy triều chảy ra được sử dụng để quay bánh xe nước để xay ngũ cốc Quá trình sử dụng nước rơi và tua-bin quay để tạo ra điện đã được giới thiệu vào thế kỷ 19.
Bốn nghiên cứu khả thi ban đầu cho các nhà máy điện thủy triều quy mô lớn đã được thực hiện ở Hoa Kỳ và Canada trong khoảng thời gian từ 1924 đến 1977 bởi Ủy ban Năng lượng Hoa Kỳ, Nova Scotia Light and Power, chính phủ Hoa Kỳ và Canada Tất cả đều tập trung vào các vị trí địa lý cụ thể xung quanh khu vực biên giới giữa Maine và Canada Mặc dù có nhiều kết luận khác nhau về tính khả thi về mặt kinh tế nhưng chúng không mang lại tiến bộ đáng kể.
Mãi cho đến năm 1966, nhà máy điện thuỷ triều đầu tiên mới được lắp đặt, là nhà máy
Rance, Pháp, với công suất 240 MW Ưu, nhược điểm của năng lượng thuỷ triều:
+ Năng lượng thủy triều là nguồn tài nguyên có thể tái tạo vì thủy triều được tạo ra bởi lực hấp dẫn của Mặt trăng và Mặt trời, lực hấp dẫn này có thể dự đoán được và nhất quán.
+ Khi công nghệ tiến bộ, năng lượng thủy triều sẽ trở nên hiệu quả hơn, và giúp nhân loại giảm thiểu năng lượng điện hoá thạch.
+ Các hệ thống này thường ít tác động tiêu cực đến môi trường hơn so với sản xuất điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch Chúng không tạo ra khí thải nhà kính hoặc chất gây ô nhiễm không khí.
+ Bảo vệ khỏi lũ lụt ven biển vì tính ổn định của nó trong các tình huống thiết kế khác nhau Các đầm thủy triều có thể hấp thụ nước dâng do bão và sóng 500 năm một lần. + Cơ sở hạ tầng và thiết bị năng lượng thủy triều có tuổi thọ dài hơn đáng kể và rẻ hơn so với các công nghệ tái tạo khác.
+ Chu kì ổn định, dễ dàng tính toán sản lượng điện.
+ Hệ số công suất là 80%, lớn hơn so với các loại năng lượng khác, tương đương với nhiệt điện nhưng không sinh ra khí thải.
+ Việc xây dựng các cơ sở năng lượng thủy triều hiện nay đắt hơn do nhu cầu vốn rất lớn.
+ Các đập thủy triều có thể tác động đến hệ sinh thái địa phương bằng cách thay đổi dòng nước và sự phân bố trầm tích Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến mô hình di cư của cá Các vấn đề môi trường chính là tác động của lưỡi dao đối với cá tìm cách đi vào đầm phá, âm thanh phát ra từ tua-bin, những thay đổi trong quá trình lắng đọng và thay đổi môi trường sống.
+ Bảo trì và sửa chữa thiết bị có thể phức tạp do tính mài mòn thiết bị của nước biển. + Nhu cầu năng lượng bị hạn chế Thủy triều mạnh chỉ xảy ra trung bình 10 giờ mỗi ngày, phải xây dựng năng lực lưu trữ năng lượng thủy triều.
+ Việc cung cấp năng lượng thủy triều cho các khu vực ven biển là một thách thức vì năng lượng của thủy triều thường cách rất xa nơi cần có điện trong đất liền, cũng như chi phí vận chuyển điện là lớn với khoảng cách xa.
Những phương pháp khai thác năng lượng thuỷ triều:
Nguyên lý khai thác phương pháp đập thuỷ triều & thiết bị
Nguyên lý khai thác
Nhắc lại nguyên lý sơ bộ của phương pháp ở trên, đập thủy triều tận dụng thế năng trong sự khác biệt về chiều cao giữa thủy triều cao và thấp Khi thủy triều bắt đầu dâng lên, lượng nước dâng sẽ được giữ lại trông qua hồ chứa lớn phía sau đập, đóng vai trò như một hồ tích thế năng Khi thủy triều hạ xuống, thế năng này được chuyển thành cơ năng khi nước được giải phóng qua các tua bin lớn đước lắp đặt trên đập tạo ra năng lượng điện thông qua việc sử dụng máy phát điện.
Cụ thể hơn, đập sẽ được xây dựng như một phương tiện để ngăn cách hồ chứa với biển, tạo sự chênh lệch mực nước giữa hai phía Nước sẽ được tích vào hồ chứa trong suốt quá trình triều dâng, và bắt đầu xả trong lúc triều rút.
Thông thường, năng lượng sẽ chỉ được sản xuất khi nước triều bắt đầu rút, cũng là lúc nước trong hồ tích được đi qua các tuabin theo dòng triều Vì vậy, các kĩ sư/ chuyên gia trên thế giới đã có một số cách thiết kế hồ chứa để tối ưu việc thu hoạch năng lượng.
Hình 9 mô phỏng mực nước triều dâng/ rút
Giả sử với đồ thị mực nước của bán nhật triều được lý tưởng hoá như sau:
Hình 10 Mực nước triều lý tưởng theo thời gian
Dựa vào đồ thị mực nước trên, ta có sơ đồ phân loại các thiết kế hồ chứa như sau:
Hình 11 Phân loại hồ chứa trong thiết kế đập thuỷ triều
Hệ thống với hồ chứa đơn khoang khai thác một chiều: Đây là dạng thiết kế đơn giản nhất của đập thuỷ triều Ở dạng thiết kế này, năng lượng chỉ được thu hoạch khi triều xuống, đồng thời nước trong hồ cũng rút Năng lượng được thu hoạch không liên tục, trong thời gian ngắn và hiệu suất kém.
Hồ chứa hồ chứa đơn hồ đơn khoang khai thác 1 chiều hồ đơn khoang khai thác 2 chiều
Hồ đơn khoang khai thác 2 chiều với bơm trữ năng
Hồ hai khoang đơn giản
Hồ hai khoang với hệ thống bơm trữ năng
Hình 12 Đập thuỷ triều với hồ chứa đơn khoang
Hình 13 Sơ đồ năng lượng thu hoạch của hệ thống với hồ chứa đơn khoang
Hệ thống với hồ chứa đơn khoang khai thác 2 chiều:
Năng lượng được thu hoạch cả trong thời gian chiều dâng và chiều rút với hai hệ thống tua bin 2 chiều khác nhau cùng với hệ thống điều khiển cửa van của 2 hệ thống tua bin riêng biệt.
Hình 14 Sơ đồ năng lượng thu hoạch của hệ thống hồ đơn khoang, hai chiều
Hệ thống với hồ chứa đơn khoang khai thác hai chiều- có hệ thống bơm trữ năng: Ở hệ thống này, năng lượng sẽ được khai thác ở cả hai chiều thuỷ triều, phần thời gian trống không thể thu hoạch ở khoảng thời gian nước đứng sẽ được khắc phục bằng hệ thống bơm trữ năng Khi đó độ trễ giữa 2 đợt thu hoạch năng lượng sẽ được rút ngắn lại, tăng hiệu suất. Thiết kế hồ chứa này đã được nhà máy thuỷ triều Rance sử dụng.
Hệ thống với hồ chứa hai khoang khai thác hai chiều : Ở thiết kế này, hồ chứa sẽ được ngăn làm hai khoang , 1 khoang được khai thác năng lượng khi triều lên và khoang còn lại có khả năng khai thác lúc triều xuống, đồng thời giữa 2 khoang sẽ có hệ thống tua bin để khai thác độ chênh thế năng của 2 khoang.
Hình 15 Hệ thống đập với hồ 2 khoang
Hình 16 Đồ thị sơ bộ năng lượng hệ thống đập hồ 2 khoang.
Cấu trúc đập thuỷ triều & thiết bị khai thác
Trải qua hàng nhiều thập kỉ phát triển, cấu trúc của một nhà máy điện thuỷ triều đã phát triển và tiến bộ hơn rất nhiều để không chỉ đưa hiệu suất thu hoạch năng lượng lên cao hơn, mà còn góp phần hạn chế tối đa những ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường.
Dù vậy, nhà máy điện thuỷ triều vẫn bao gồm ba cấu trúc hệ thống chính sau đây:
+ Hệ thống đập: tua bin, lưới chắn sinh vật biển,….
+ Hệ thống lối thoát nước, nhận nước: cửa van cung, cửa van phẳng, van khoá…
+ Hệ thống nhà máy: máy phát điện, hệ thống điều khiển,…. Đập hoặc đê chắn : là một thành phần quan trọng của nhà máy thủy triều Chức năng của nó là tạo ra một rào cản giữa biển và hồ chứa hoặc giữa các hồ chứa khác nhau trong trường hợp có nhiều hồ chứa Đập thủy triều phải chống lại sóng biển và áp suất nước biển, vì vậy nó được làm bằng bê tông cốt thép.
Vị trí của đập thủy triều quan trọng, vì năng lượng có sẵn liên quan đến kích thước của hồ chứa và mực nước thủy triều Đập càng gần cửa vịnh, hồ chứa càng lớn, nhưng mực nước dâng của thủy triều càng thấp Cần cân nhắc giữa hiệu suất tăng và yêu cầu về vật liệu và chi phí xây dựng Đập thủy triều cần các vị trí có biên độ thủy triều đủ cao để tạo ra lượng nước đủ lớn - biên độ tối thiểu hữu ích là khoảng ba mét.
Ngoài vai trò là công trình để lắp đặt tua bin, đập thuỷ triều cũng có một tác dụng khác Phía bên trên đập thuỷ triều, người ta sẽ cho xây dựng hệ thống giao thông đường bộ thông thường, giúp mở thêm lưu thông các phương tiện đường bộ
Hình 17 Đường bộ phía trên đập thuỷ triều Rance.
Hệ thống cửa nhận/ xả: xây dựng cùng khoang dẫn nước được sử dụng để dẫn nước vào hồ chứa trong thời gian triều cao hoặc xả nước ra khỏi hồ chứa trong thời gian triều thấp, theo yêu cầu vận hành Ở đường dẫn nước vào, hệ thống cửa có thể nổi như một khối hộp- điều khiển đóng mở bằng điện từ; trong khi lối ra được lắp đặt cửa nâng hạ phẳng truyền thống Ở công nghệ này, cửa nâng hạ sẽ thay thế chuỗi cửa nắp bít sơ khai Cửa nâng hạ (sluice gate) được vận hành thông qua bộ cảm biến áp suất nước, thiết lập chỉ cho phép nước từ biển vào hồ chứa, có chức năng tương tự van một chiều mà không cần phải sử dụng cơ cấu cơ học Do đó, mực nước trong hồ chứa được giữ sao cho luôn tăng lên cao hơn mực nước biển, nước chảy ngược ra biển sẽ ít hơn so với nước chảy vào.
Hình 18 Cửa điều khiển từ
Hình 20 Cửa nâng hạ với cảm biến áp suất.
Nhà máy điện: Tua bin, máy phát điện, hệ thống điều khiển cùng các thiết bị phụ trợ là những phần tử chính của nhà máy điện Bởi thuỷ triều có mực nước dâng thấp, đồng nghĩa với cột áp thiết kế của tua bin thấp, nên đường kính bánh công tác của tua bin thường lớn, kéo theo yêu cầu xây dựng một nhà máy điện lớn tương xứng
Một số nhà máy điện sẽ được xây dựng với kiến trúc độc đáo để thu hút khách du lịch như nhà máy điện thuỷ triều Sihwa, Hàn Quốc.
Hình 21 Nhà máy điện thuỷ triều Sihwa b Thiết bị khai thác:
Thiết bị khai thác năng lượng của các đập thuỷ triều chính là các tua bin nước và các máy phát điện Tua bin là thiết bị cho phép sử dụng bánh công tác, bao gồm các cánh kim loại để chuyển đổi thế năng và động năng của dòng chảy thành cơ năng, sau đó truyền tới máy phát Những cơ năng này sẽ được truyền tới trục máy phát dưới dạng momen thông qua mối ghép trực tiếp hoặc hệ thống dẫn động cơ khí
Tua bin trong khai thác điện thuỷ triều có cột áp thấp, đường kính bánh công tác lớn hơn so với tua bin của thuỷ điện, ví dụ: tua bin lắp đặt tại nhà máy Ránce có đường kính bánh công tác là 5.35 m với 4 cánh Hiện nay, các kĩ sư trên thế giới đang sử dụng 3 loại tua bin để khai thác năng lượng thuỷ triều, bao gồm: tua bin “Kaplan bulb”, tua bin Kaplan hướng chéo, tua bin hướng trục thông thường
Hình 22 3 kiểu tua bin trong khai thác năng lượng thuỷ triều
Hình 24 Tua bin kaplan hướng chéo
Thiết bị khai thác năng lượng tại Ránce:
Nhà máy điện thuỷ triều Rance được xây dựng đập dài 750m, diện tích hồ chứa là 22.5 km 2 Phần đập được lắp đặt 24 tua bin bulb, công suất tính toán 10MW, đường kính BCT là 5.35m với 4 cánh, tốc độ quay tính toán 94 rpm, tốc độ quay tối đa 240 rpm Công suất trung bình của toàn bộ 24 tua bin là 57 MW, tương đương với hệ số công suất xấp xỉ 24%, sản suất ra hơn 500 GWh hàng năm Một nửa số tua bin của Rance được chế tạo bằng vật liệu thép không gỉ, số còn lại chế tạo từ hợp kim đồng- nhôm Hệ thống đập của Rance cũng được thiết kế để chống mài mòn từ nước biển bằng phương pháp Cathodic – phủ các-bon/ than chì lên chi tiết
Hình 25 Đập thuỷ triều mô hình của Rance
Hình 26 Tua bin thực tế của nhà máy Rance
Đặc điểm & ứng dụng phương pháp đập thuỷ triều
Đặc điểm
Năng lượng thuỷ triều là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng vô cùng lớn, là mảnh đất màu mỡ để các nước có đủ tài nguyên cũng như khả năng công nghệ khai phá Một trong phương pháp có công nghệ đơn giản hơn các phương pháp còn lại, mà công suất và hiệu suất lại khả quan hiện nay là phương pháp đập thuỷ triều, bằng chứng là hiện nay, trên thế giới, đã có 11 nhà máy điện thuỷ triều đang hoạt động, 1 nhà máy đang được xây dựng và 10 dự án đang được đề xuất. Ưu điểm phương pháp đập thuỷ triều:
- Công suất ổn định, hiệu suất khả quan ( 20- 29% - theo thống kê các nhà máy hiện có).
- Phù hợp với công nghệ xây dựng và lắp đặt hiện có.
- Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa, chi phí vận hành thấp hơn các năng lượng tái tạo còn lại.
- Bởi công suất ổn định nên giá thành sản xuất cũng rất khả quan và hứa hẹn sẽ tốt hơn trong tương lai ( 0.12 euro tương đương hơn 3000VNĐ mỗi kWh tại nhà máy Rance).
- Phương pháp sản xuất sạch, hạn chế được khí nhà kính thải ra môi trường.
- Tuổi thọ của nhà máy điện thuỷ triều cao.
- Bảo vệ các công trình xây dựng cũng như bờ kè đối với sông/ bờ biển khỏi các thiên tai bão lũ bất ngờ.
Nhược điểm của phương pháp đập thuỷ triều:
- Vẫn còn tồn tại tác động tới môi trường nước.
- Giá thành thương mại chưa khả quan.
- Công suất chưa liên tục dẫn tới việc yêu cầu xây dựng hệ thống lưu trữ đắt tiền.
- Là một phương pháp khai thác trẻ, cần ấp ủ lâu hơn về mặt công nghệ để đạt trạng thái khả thi trong thương mại.
Một số tác động của phương pháp đập thuỷ triều tới môi trường:
Việc bố trí đập vào cửa sông có ảnh hưởng đáng kể đến nguồn nước bên trong lưu vực và hệ sinh thái Thông qua nghiên cứu được thực hiện trên các loài thực vật thủy triều, người ta phát hiện ra rằng các đập ngăn thủy triều được xây dựng ở cửa sông gây ra những mối đe dọa môi trường tương tự như các con đập lớn Việc xây dựng các nhà máy thủy triều lớn làm thay đổi dòng nước mặn vào và ra các cửa sông, làm thay đổi chế độ thủy văn và độ mặn và có thể gây hại cho các loài động vật có vú sống ở biển sử dụng cửa sông làm môi trường sống Nhà máy La Rance, ngoài khơi bờ biển Brittany phía bắc nước Pháp, là nhà máy đập thủy triều đầu tiên và lớn nhất trên thế giới Đây cũng là nơi duy nhất thực hiện đánh giá toàn diện về tác động sinh thái của hệ thống năng lượng thủy triều, hoạt động trong 20 năm
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Pháp phát hiện ra rằng sự cô lập của cửa sông trong giai đoạn xây dựng đập thủy triều có hại cho hệ thực vật và động vật; sau mười năm, đã có "sự điều chỉnh sinh học ở mức độ khác nhau đối với các điều kiện môi trường mới."
Một số loài bị mất môi trường sống do việc xây dựng La Rance, nhưng các loài khác đã xâm chiếm không gian bị bỏ hoang, gây ra sự thay đổi về tính đa dạng Cũng do quá trình xây dựng, các bãi cát biến mất, bãi biển St Servan bị hư hại nặng và dòng chảy tốc độ cao đã phát triển gần các cống, là kênh dẫn nước được kiểm soát bởi các cổng
- Độ đục Độ đục (lượng chất lơ lửng trong nước) giảm do lượng nước trao đổi giữa lưu vực và biển ít hơn Điều này cho phép ánh sáng từ Mặt trời xuyên qua nước sâu hơn, cải thiện điều kiện sống cho thực vật phù du những cũng kéo theo thay đổi trong chuỗi thức ăn tương đương với thay đổi nhỏ trong hệ sinh thái
- Hàng rào thủy triều và tuabin
Hàng rào thủy triều và tua-bin, nếu được xây dựng đúng cách, sẽ ít gây ra mối đe dọa môi trường hơn so với các đập thủy triều Hàng rào và tua-bin thủy triều, giống như máy tạo dòng thủy triều, hoàn toàn dựa vào chuyển động động cơ học của dòng thủy triều và không sử dụng đập hoặc rào chắn để chặn các kênh hoặc cửa sông
Khác với phương pháp đập, hàng rào thủy triều không làm gián đoạn sự di cư của cá hoặc làm thay đổi chế độ thủy văn , do đó các giải pháp này mang lại khả năng tạo năng lượng mà không gây tác động nghiêm trọng đến môi trường Hàng rào thủy triều và tua-bin có thể có những tác động môi trường khác nhau tùy thuộc vào việc dự án có đầu tư vào nghiên cứu hay không
Tác động lớn nhất của tua bin lên môi trường là tác động của chúng lên cá Nếu các tuabin chuyển động đủ chậm, chẳng hạn như vận tốc thấp 25–50 vòng/phút, việc giết cá sẽ được giảm thiểu và phù sa cũng như các chất dinh dưỡng khác có thể chảy qua các cấu trúc Hàng rào thủy triều chặn các kênh, khiến cá và động vật hoang dã khó di cư qua các kênh đó Để giảm tỷ lệ cá chết, hàng rào thuỷ triều được thiết kế sao cho khoảng trống giữa thành BCT- tường rào và khoảng cách cánh- rôto đủ rộng để cá đi qua Các động vật có vú ở biển lớn hơn như hải cẩu hoặc cá heo có thể được bảo vệ khỏi các tuabin bằng hàng rào hỗ trợ hoặc hệ thống phanh tua bin tự động sử dụng cảm biến siêu âm khi phát hiện thấy động vật có vú ở gần.
Do việc trao đổi nước với biển ít hơn nên độ mặn trung bình trong lưu vực giảm, cũng ảnh hưởng đến hệ sinh thái.
Các cửa sông thường có lượng trầm tích lớn di chuyển qua chúng, từ sông ra biển Việc đưa đập vào cửa sông có thể dẫn đến sự tích tụ trầm tích trong đập, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và cả hoạt động của đập.
Cá có thể di chuyển qua các cổng dẫn nước một cách an toàn, nhưng khi chúng đóng lại, cá sẽ tìm kiếm các tua-bin và cố gắng bơi qua chúng Ngoài ra, một số loài cá sẽ không thể thoát khỏi tốc độ nước gần tuabin và sẽ bị hút qua Ngay cả với thiết kế tuabin thân thiện với cá nhất, tỷ lệ cá chết trên mỗi lượt truyền là khoảng 15% (do giảm áp suất, tiếp xúc với lưỡi dao, tạo bọt, nhiệt độ , v.v.) Đã có các công nghệ đường đi thay thế như thang cá , thang nâng cá, thang cuốn cá, v.v nhưng cho đến nay vẫn chưa giải quyết hoàn toàn được vấn đề này đối với các đập thủy triều Nghiên cứu về sử dụng tần số âm thanh để định hướng bơi của cá đang cũng như nghiên cứu về tua bin có tâm hở đang trong quá trình nghiên cứu để khắc phục vấn đề này.
Hình 27 Một trong những thiết kế của tuabin tâm hở.
Ứng dụng
Phương pháp đập thuỷ triều được ứng dụng tại các vịnh, mà có khoảng bờ biển hõm vào đất liền, hình dáng tương tự với các hồ chứa hoặc là được xây dựng trực tiếp ngang qua cửa sông thoát ra biển Tuy nhiên, các vịnh biển phù hợp với việc lắp đặt đập thuỷ triều trên thế giới hiện nay vẫn còn khan hiếm nên đập thuỷ triều đang vận hành hiện nay chủ yếu được xây dựng tại cửa sông Ví dụ như nhà máy Rance được xây dựng tại cửa sông Rance
Hình 28 Sông Rance - đập thuỷ triều Rance
Bởi vì phương pháp đập thuỷ triều còn trẻ, cũng như yêu cầu chi phí xây dựng cao, công nghệ vận hành hiện đại nên số lượng đập thuỷ triều hiện tại chỉ dừng lại ở con số 11, nhiều dự án được đề xuất và cũng nhiều dự án đã bị bác bỏ Tại Việt Nam, cũng có nhiều nghiên cứu về tiềm năng của đập thuỷ triều bao gồm cả công ty điện lực EVN nhưng chưa được đưa ra đề xuất lắp đặt vì công nghệ này quá mới mẻ, chưa được đảm bảo trên thế giới Tại Bình Thuận, một trong số những tỉnh có tiềm năng thuỷ triều lớn nhất nước ta, đã có những thảo luận về xây dựng đập thuỷ triều giữa EVN và cán bộ tỉnh, tuy nhiên cũng chưa đạt được kết quả cụ thể, chỉ dừng lại ở những khó khan và bất cập Theo ông Hùng- phó Giám đốc Sở Công Thương tỉnh Bình Thuận cho hay: ngành khí tượng thủy văn nước ta vẫn chưa có ngân hàng dữ liệu về thuỷ triều hay song biển đủ lớn để làm cơ sở cho nhà đầu tư khảo sát tiềm năng điện thủy triều cũng như đầu tư hệ thống sản xuất điện từ sóng biển.
Bên cạnh đó, có một vài bước tiến khả quan đến từ những nhà nghiên cứu trẻ của nước ta, đã có một số nghiên cứu tiềm năng thuỷ triều như nghiên cứu “ Tidal energy potential in coastal Vietnam” [1] của nhóm tác giả đến từ đại học Quốc Gia Hà Nội - Huy Toan Do, Thanh Binh Nguyen, Tuan Minh Ly
Hình 29 Bài nghiên cứu về tiềm năng thuỷ triều của Việt Nam Ứng dụng cơ sở lý thuyết để tính toán tiềm năng của phương pháp đập thuỷ triều tại vịnh biển Việt Nam:
Theo nghiên cứu vừa đề cập ở trên, vùng tiềm năng nhất về thuỷ triều ở nước ta thuộc khu vực 7: Hàm Tân tới Cà Mau.
Hình 30 Tiềm năng thuỷ triều trong “ Tidal energy potential in coastal Vietnam”
Chọn một vịnh biển cụ thể trong khu vực 7 – vịnh Gành Rái, ta tính toán tiềm năng năng lượng thuỷ triều cho vịnh như sau:
Hình 31 Vịnh Gành Rái - thuộc tỉnh Vũng Tàu
- Biên độ thuỷ triều trung bình năm: h = 0.74 m - theo nghiên cứu [1]
- Diện tích sơ bộ vịnh: A = 200 km 2
- Khối lượng riêng nước : 1025 kg/m 3
Suy ra, tiềm năng năng lượng thuỷ triều chính bằng thế năng của khối nước triều dâng, và bằng:
Mỗi ngày chúng ta có 2 lần thủy triều lên và 2 lần thủy triều xuống Khi thủy triều xuống, thế năng bằng không Do đó, tổng tiềm năng năng lượng mỗi ngày = Năng lượng cho một lần thủy triều cao × 2
Do đó, tiềm năng phát điện trung bình = Tiềm năng phát điện/thời gian trong 1 ngày
Giả sử hiệu suất chuyển đổi điện năng của phương pháp đập thuỷ điện là 25 %, suy ra, điện năng phát trung bình ngày bằng:
Tất cả tính toán trên chỉ được tính toán sơ bộ với những thông số mơ hồ, tuy nhiên ta thấy rằng, phương pháp đập thuỷ triều là khả thi khi ứng dụng tại vịnh Gành Rái – Vũng Tàu.
Hình 32 Mực nước triều tại Vũng Tàu theo nghiên cứu của Atlat Địa Lý.
