Loại năng lượng đầy tiềm năng đến từ đại dương lạnh giá, hứa hẹn ngày nào đó sẽ cung cấp điện năng vô tận cho các quốc đảo

Ở vùng nhiệt đới, mặt biển rất ấm và nhiệt độ sẽ giảm dần theo độ sâu. Sự chênh lệch nhiệt độ đó có thể được khai thác và biến thành điện năng. Nếu chúng ta có thể cải tiến công nghệ, phương pháp sản xuất điện này có thể là một món quà trời cho đối với các quốc đảo phụ thuộc vào nguồn điện chạy bằng dầu diesel vốn đắt tiền và gây ô nhiễm.

Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã nghiên cứu về sự chuyển đổi nhiệt năng của đại dương. Về cơ bản, ý tưởng khai thác điện năng từ chênh lệch nhiệt độ đã xuất hiện từ lâu. Công nghệ này tương tự như cách các nhà máy điện than, khí đốt và địa nhiệt tạo ra điện, bằng cách sử dụng hơi để làm quay tuabin.

Thách thức đặt ra là phải tìm đúng vị trí, nơi nào nhiệt độ càng khác biệt thì càng trở nên đáng giá. Những vùng biển tương đối gần với đường xích đạo có thể thoả mãn điều kiện này, điển hình như phía bắc Papua New Guinea, Philippines và ngoài khơi bờ biển phía nam Nhật Bản.

Hiện tại, các nhà máy thí điểm chỉ có thể tạo ra một phần năng lượng khiêm tốn so với một tuabin gió lớn. Nhưng nếu nhìn theo mặt tích cực, các nhà máy nhiệt điện đại dương (OTEC) có thể phát điện 24/7.

Các nhà máy điện này hoạt động dựa vào chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp, chẳng hạn như amoniac, thông qua một vòng khép kín. Nhiệt từ nước biển ấm (từ 20 đến 30℃) làm nóng chất lỏng cho đến khi nó chuyển thành hơi và được sử dụng để làm quay tuabin. Sau đó, hơi tiếp xúc với nước biển lạnh (khoảng 5℃), biến nó trở lại thành chất lỏng để chu trình có thể tiếp tục. Các nhà máy cần có đường ống kéo dài 600 mét xuống biển sâu mới có thể khai thác được nguồn nước lạnh này.

Hệ thống là một vòng lặp khép kín, làm nóng và làm mát bằng các bộ trao đổi nhiệt mà không thải chất lỏng ra biển. Và nguồn tài nguyên này luôn có sẵn, có thể loại bỏ được những thách thức về nguy cơ gián đoạn của các công nghệ tái tạo được phát triển từ lâu hơn như năng lượng mặt trời và gió.

Công nghệ này cũng có nhược điểm là hiện chưa sẵn sàng để áp dụng trên diện rộng. Một nhà máy thí điểm ở Hawaii do Makai Ocean Engineering lắp đặt vào năm 2015 có công suất 100 kW. Con số đó ít hơn 20–30 lần so với tuabin gió thông thường và tương đương với khoảng 12 tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt tại các hộ gia đình hoặc doanh nghiệp nhỏ ở Úc.

Thách thức kỹ thuật chính cần vượt qua là làm sao để tiếp cận với khối lượng lớn nước biển lạnh cần thiết. Các kỹ sư của Makai hiện sử dụng đường ống có đường kính một mét, đâm xuống độ sâu 670 mét dưới đáy đại dương.

Để mở rộng quy mô nhà máy lên 100 MW, Makai ước tính đường ống sẽ phải có đường kính 10 mét và xuống sâu tới 1 km. Cơ sở hạ tầng kiểu này rất tốn kém và phải được thiết kế để chống lại sự ăn mòn và lốc xoáy. Makai ước tính 12 nhà máy ngoài khơi quy mô thương mại có thể đáp ứng tổng nhu cầu điện của Hawaii.

Nếu các nhà máy chuyển hoá nhiệt đại dương có thể được xây dựng đủ lớn, chi phí sẽ giảm xuống. Nhưng cũng xuất hiện một thách thức khác. Để đạt được gần với chi phí của gió và năng lượng mặt trời, hiện chỉ còn 1–2 cent/kWh, các nhà máy nhiệt điện đại dương sẽ cần lượng nước gấp khoảng bốn lần lượng từ Thác Niagara chảy qua hệ thống cùng một lúc.

Cần một khối lượng nước khổng lồ như vậy là do cơ chế nhiệt động lực học, không thể chuyển đổi tất cả nhiệt năng thành cơ năng như quay tuabin. Vấn đề hiệu quả này là một thách thức thực sự đối với các nhà máy nhiệt điện biển, nước biển ấm và mát có sự chênh lệch nhiệt độ tương đối nhỏ, có nghĩa là chỉ một tỷ lệ rất nhỏ nhiệt năng trong nước biển được chuyển đổi thành điện năng.

Mặc dù các nhà máy này không thể cạnh tranh với gió và năng lượng mặt trời ở các thị trường đại lục lớn, nhưng chúng có thể được sử dụng tại các quốc đảo nhỏ nằm rải rác ở Thái Bình Dương và Caribe. Ngoài ra còn có các đảo xa lưới điện chính, chẳng hạn như Đảo Norfolk hoặc nhiều đảo nhỏ của Indonesia.

Đặc biệt, các quốc đảo thường có giá bán lẻ điện cao, nhu cầu điện thấp và phụ thuộc vào dầu diesel nhập khẩu để phát điện. Các nhà nghiên cứu từ Hàn Quốc và New Zealand đã nhận định rằng OTEC có thể là nguồn cung cấp năng lượng cơ bản khả thi cho các quốc đảo, nhưng chỉ sau khi có thêm nhiều nhà máy thí điểm được xây dựng để giúp hoàn thiện thiết kế của các nhà máy lớn hơn.

Nếu muốn giúp một quốc đảo sản xuất năng lượng sạch, trước tiên phải xem xét địa nhiệt, một công nghệ hoàn thiện và mang tính kinh tế hơn. Đó là bởi vì các khu vực thuận lợi nhất cho các nhà máy OTEC thường có tiềm năng đáng kể về điện địa nhiệt, được sản xuất bằng cách khoan giếng trên đất liền và sử dụng chất lỏng nhiệt độ cao từ các giếng đó.

Tuy nhiên, OTEC có thể đóng vai trò hữu ích trong việc giải quyết một số thách thức cùng một lúc. Người ta có thể lấy nước biển mát lạnh và sử dụng như một hình thức điều hòa không khí, đang được áp dụng tại hai khu nghỉ dưỡng ở Polynesia thuộc Pháp.

Nước này còn có thể được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản, nuôi các loài cá nước lạnh như cá hồi, hoặc như một cách để giữ cho nước bề mặt mát mẻ trong những đợt nắng nóng ở biển, đe dọa đến việc nuôi cá ở New Zealand. Thậm chí có thể sử dụng các nhà máy OTEC để sản xuất hydro như một mặt hàng xuất khẩu ở các quốc đảo nhỏ.

Để đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải khẩn cấp, chúng ta cần tận dụng tất cả các lựa chọn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, ở giai đoạn này, OTEC khó có thể cạnh tranh với các loại năng lượng tái tạo tốt hơn như gió, năng lượng mặt trời và thậm chí cả địa nhiệt. Lĩnh vực này được đánh dấu là "có tiềm năng, nhưng cần cố gắng nhiều hơn".