Những mối quan ngại toàn cầu về khí thải carbon và ảnh hưởng của nó đối với môi trường đồng nghĩa với chuyện năng lượng tái sinh hiện là nguồn sản xuất điện phát triển nhanh nhất trên thế giới. Vì nguồn cung cấp dầu khí của mình bị giảm, nước Anh đang phải đẩy nhanh nghiên cứu phát triển các công nghệ khả dĩ giải quyết được các vấn đề như làm thế nào để sinh ra nguồn năng lượng tái sinh và làm thế nào để hợp nhất các nguồn năng lượng bền vững đó vào hệ thống cấp điện hiện nay. Bài viết của Julia Pierce.

Trước sức ép quốc tế về cắt giảm lượng khí thải nhà kính, điều vô cùng quan trọng là phải phát triển các công nghệ có khả năng sản xuất năng lượng tái sinh với giá rẻ một cách có hiệu quả. Ở Anh quốc, chính phủ đã ra nghị quyết là đến năm 2015 thì 15.4% tổng sản lượng điện phải được sản xuất từ các nguồn bền vững. Đến năm 2020 con số này sẽ tăng tới 20%. Nhưng hiện nay, mới chỉ có hơn 5% nguồn cung cấp điện cho toàn quốc là điện “xanh”. Những mục tiêu nói trên, cùng với các mối quan ngại về việc đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng của Anh – vì nguồn cung cấp hiện nay ngày càng phụ thuộc vào nguồn khí đốt khai thác ở các vùng chính trị không ổn định – đã đẩy nhanh việc nghiên cứu đổi mới trong lĩnh vực năng lượng tái sinh. Nhu cầu cấp thiết phải tìm được câu trả lời cho câu hỏi ‘tìm đâu ra nguồn năng lượng bền vững’ đã dẫn đến tình trạng tăng đột biến ngân sách dành cho nghiên cứu. Điều này tạo ra những cơ hội thực sự cho các sinh viên cao học trong việc định hướng tương lai sản xuất năng lượng ở Anh và các nước khác.

Giáo sư David Infield chuyên nghiên cứu về các hệ thống năng lượng tái sinh và là giám đốc của CREST – Trung tâm Công nghệ Hệ thống Năng lượng Tái sinh thuộc Khoa Kỹ sư Điện và Điện tử Đại học Loughborough cho biết: “Các sinh viên sau đại học đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của lĩnh vực đang tăng trưởng rất nhanh chóng này. Nước Anh có truyền thống nghiên cứu, mà nghiên cứu thì có thể thiết kế sao cho phù hợp với các mối quan tâm của những người tham gia. Nếu các sinh viên cao học muốn, họ có thể tham gia các dự án nhằm đáp ứng nhu cầu của đất nước họ.”

Một ví dụ tốt là năng lượng biển. Vì là một quốc gia đảo, nước Anh có những nguồn tài nguyên năng lượng tự nhiên khổng lồ dưới dạng năng lượng sóng và thủy triều. Những dòng điện trong khu vực nối Đại Tây dương và Biển Bắc thuộc loại mạnh nhất châu Âu. Vì thế không có gì đáng ngạc nhiên khi đất nước này có một lịch sử nghiên cứu hào hùng về khả năng khai thác năng lượng biển. Nghiên cứu lĩnh vực này đã mang lại những kết quả vô cùng ấn tượng. Nước Anh là nơi có trạm năng lượng sóng thương mại đầu tiên trên thế giới, nằm ở đảo Islay ở Scotland. Máy biến thế Năng lượng từ biển của đảo Islay hay còn gọi là máy phát điện năng lượng sóng LIMPET 500 được thiết kế và xây dựng sau 10 năm hợp tác nghiên cứu giữa công ty tư nhân Wavegen và các nhà nghiên cứu của Trường Queen’s University Belfast, với sự hậu thuẫn tài chính của Ủy ban châu Âu.

Giáo sư Ian Bryden, chủ tịch năng lượng tái sinh tại Đại học Edinburgh, cho biết: “Nước Anh dẫn đầu thế giới về lĩnh vực năng lượng tái sinh biển, và là nước tiên phong đối với sự phát triển nguồn năng lượng ấy cách đây 20-30 năm rồi. Hiện giờ vẫn có một số nghiên cứu xuất sắc đang được tiến hành. Khi nói đến biển, thì nước Anh có tới 30-40 năm kinh nghiệm về ngành công nghiệp dầu khí, chưa kể một ngàn năm lịch sử hàng hải. Khắp đất nước có nhiều phòng nghiên cứu thí nghiệm chuyên về lĩnh vực này.”

Đại học Edinburgh đứng đầu SuperGen Marine Consortium - Tổ hợp Hàng hải SuperGen - hiện đang nghiên cứu các phương pháp khai thác cả nguồn năng lượng sóng và thủy triều. Do mối quan tâm ngày càng lớn về các nguồn năng lượng tái sinh nên Ủy ban Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật (EPSRC – do chính phủ tài trợ) đã xây dựng một dự án cấp phát điện bền vững trị giá nhiều triệu bảng Anh, thường được gọi là Dự án SuperGen, để tập hợp các nhóm trường đại học và ngành công nghiệp lại rồi cung cấp cho họ những khoản tài trợ nghiên cứu lớn. Các đối tác tham gia SuperGen Marine bao gồm Đại học Edinburgh với Đại học Robert Gordon, Đại học Heriot-Watt, Đại học Lancaster, và Đại học Strathclyde, cùng với các đối tác trong ngành như Entec, Conoco Europe Ltd và Scottish Power. Các tổ hợp nghiên cứu khác thì tập trung vào mảng năng lượng khinh khí (hydro) và các vật liệu và thiết bị quang điện. Để bảo đảm không có công trình nghiên cứu nào bị lặp lại, nước Anh cũng đã thiết lập Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Anh gọi tắt là UKERC. Cơ quan này hiện đang thiết lập một cơ sở dữ liệu toàn diện về nghiên cứu năng lượng ở Anh - gọi là Tập bản đồ Nghiên cứu (Atlas Nghiên cứu). Cơ sở dữ liệu này cũng sẽ được công khai cho mọi người truy cập qua trang web của Trung tâm.

Với sự tham gia chặt chẽ của các công ty hàng đầu vào tiến trình nghiên cứu và tiềm năng thương mại của các thành công về công nghệ thì triển vọng cho những người chọn học tập ở nước Anh là rất sáng lạn.

Giáo sư Bryden cho biết: ‘Sau khi tốt nghiệp, nhiều sinh viên cao học của chúng tôi ra làm việc cho các công ty năng lượng tái sinh. Một số người còn tự thành lập công ty riêng, chẳng hạn như anh chàng Richard Yemm mở công ty Ocean Power Delivery’. Phát minh của Yemm là Công nghệ chuyển điện Năng lượng Sóng Pelamis năm ngoái được chọn sử dụng ở nhà máy sóng thương mại đầu tiên trên thế giới ngoài khơi Bồ Đào Nha.

Những nhà nghiên cứu ở Anh muốn thu hoạch năng lượng đại dương sắp có cơ hội sử dụng một công cụ mới giúp họ thử nghiệm các thiết bị của mình. Trung tâm Sóng – một dự án năng lượng tái sinh ở tây nam nước Anh – sẽ xây dựng một hệ thống thiết bị ngoài khơi cho phép các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp thao diễn các hệ thống tạo năng lượng từ sóng. Hệ thống thiết bị này gồm một trạm chuyển tiếp hệ thống đường dây điện khoảng 10 dặm ngoài khơi vùng Cornwall để kết nối các thiết bị năng lượng sóng với hệ thống điện lưới trên bờ. Trung tâm Sóng sẽ giúp các nhà nghiên cứu tiến hành thử nghiệm máy móc của mình trên quy mô lớn trước khi tiến hành sản xuất đại trà và sẽ rút ngắn thời gian giữa chu trình nghiên cứu phát triển sản phẩm và thử nghiệm sản phẩm bằng cách cung cấp cho các nhà khoa học một địa điểm thử nghiệm chuyên dụng. Ở đó các vấn đề rắc rối như xin giấy phép thử nghiệm được đơn giản hóa đáng kể.

Các hình thức chế tạo năng lượng mới chẳng hạn như khai thác năng lượng đại dương là một phần trong tiến trình thay đổi vững chắc cách thức thế giới sản xuất và phân phối điện. Dưới hệ thống chế tạo năng lượng tập trung như hiện nay – một hệ thống phổ biến ở nhiều nước trên khắp thế giới trong đó có nước Anh – năng lượng được sản xuất ở các nhà máy điện lớn rồi từ đó truyền đến các hộ gia đình và các doanh nghiệp thông qua mạng điện lưới quốc gia. Các nhà máy điện như vậy thường nằm cách xa người tiêu dùng và điện được truyền tới các điểm sử dụng bằng các hệ thống truyền phát và phân phối điện.

Tuy nhiên, trong tương lai, năng lượng tái sinh nhiều khả năng sẽ được sản xuất tại nhiều chốt phát điện nhỏ độc lập nhưng được nối với hệ thống điện lưới quốc gia và đây cũng là một lĩnh vực mà nước Anh đang tiên phong. Các chốt phát điện này được gọi chung là Phát điện Phân phối (Distributed Generation) hay gọi tắt là DG. Các chốt DG thường nằm gần người tiêu thụ và điểm sử dụng, nên có lợi thế là ít bị thất thoát điện năng qua đường truyền, làm cho toàn bộ hệ thống điện có hiệu quả hơn. Tuy nhiên, việc đưa hệ thống này vào sử dụng đòi hỏi phải cân nhắc lại hoàn toàn cách thức lập kế hoạch cung cấp điện ở các nước.

SuperGen còn bao gồm một tổ hợp chuyên nghiên cứu về phát điện phân phối do Đại học Strathclyde và Đại học Loughborough đứng đầu. Tổ hợp này còn có các thành viên khác như Imperial College, Đại học Bath, Đại học Manchester, Đại học Oxford cùng với E.ON, Scottish Power, Rolls-Royce và các cộng tác viên khác trong các ngành công nghiệp. Trong vòng bốn năm tổ hợp này sẽ xem xét cách thức tổ chức và vận hành các hệ thống phân phối điện ở Anh sao cho có thể tận dụng các DG tốt hơn.

Trong một dự án song song, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học St Andrews vừa khởi động một chương trình 5 năm do EPSRC tài trợ nhằm tạo ra các công nghệ pin nhiên liệu để hỗ trợ quá trình phi tập trung hóa. Các đối tác công nghiệp bao gồm Rolls-Royce, trong khi 27 nhà nghiên cứu tham gia dự án tới từ các quốc gia như Thái Lan và Bangladesh cũng như các nước châu Âu như Pháp, Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha.

Theo giáo sư John Irvine – phụ trách dự án – thì việc tăng cường dựa vào các chất mang năng lượng mới như hydro và các nhiên liệu sinh học dạng lỏng sẽ cho phép phát triển một hệ thống cơ sở hạ tầng năng lượng vận hành bởi các công nghệ tái sinh trong đó pin nhiên liệu đóng vai trò quan trọng. Sẽ cần pin nhiên liệu để dự phòng cho những thời điểm không đủ công suất năng lượng tái sinh – chẳng hạn những lúc gió lặng.

Irvine cho biết pin nhiên liệu được đặt trong hệ thống sưởi trung tâm chạy bằng gas của các tòa nhà sẽ bổ sung cho điện lưới địa phương. Khi nồi hơi trong một tòa nhà đốt khí gas sinh học hoặc một loại nhiên liệu tái sinh nào đó tương tự thì một phần sản lượng nồi hơi sẽ chuyển đổi thành điện trong khi phần còn lại sưởi ấm tòa nhà. Nếu lượng điện này được quản lý tốt trong cộng đồng thì nó có thể tạo ra một lưới điện địa phương khá ổn định. Ông cũng cho biết thêm: “Mục đích không phải là chế tạo ra một loại pin nhiên liệu chỉ hoạt động tốt nếu đủ công suất. Chúng ta cần cái có thể hiệu quả trong nhiều tình huống vận hành khác nhau, để có thể cung cấp một giải pháp linh hoạt cho các giờ cao điểm, chẳng hạn khi hàng trăm người cùng một lúc bật ấm đun nước trong khoảng thời gian quảng cáo trên tivi.”

Do đó, nhóm nghiên cứu đang phát triển các công nghệ điện hóa nhiệt độ cao để tăng độ bền và độ ổn định của pin nhiên liệu. Nhóm cũng đang nghiên cứu giảm chi phí sản xuất pin để có thể đưa ra giới thiệu đại trà và còn dự tính sẽ chế tạo các vật liệu có khả năng tăng cường hiệu quả điện phân để sản xuất hydro sạch cho giao thông.

Việc xử lý vấn đề nhu cầu năng lượng không đồng đều trên phạm vi quốc gia cũng đang được bàn thảo ở trung tâm CREST của đại học Loughborough. Các nhà nghiên cứu ở đó đang xem xét lĩnh vực kiểm soát nhu cầu năng động – một công nghệ có thể được cấy vào các thiết bị điện như tủ lạnh để làm các thiết bị đó đòi hỏi đa phần năng lượng cần thiết vào những lúc trên mạng điện lưới có điện dôi dư. Việc san bằng các thời điểm nhu cầu theo từng giờ và từng phút sẽ giúp nước Anh dễ dàng dựa vào các nguồn năng lượng như năng lượng sóng – bởi việc cấp phát điện từ các nguồn này khỏe hay yếu phụ thuộc vào thời tiết. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ kết nối được các thiết bị gồm cả máy sưởi nước, tủ lạnh và điều hòa không khí thương mại và công nghiệp để giúp vận hành mạng lưới điện một cách cực kỳ đơn giản và hiệu quả về chi phí.

Công cuộc cách mạng hóa các hệ thống cấp phát điện trên toàn thế giới sẽ đòi hỏi nhiều nỗ lực và đầu tư từ chính phủ và các công ty tư nhân. Ở Anh thì tiến trình này đã bắt đầu diễn ra. Mặc dù các nguồn tài nguyên thiên nhiên như các khu bảo tồn năng lượng biển khổng lồ của Anh là nguồn khai thác lý tưởng, việc tìm ra phương cách tốt nhất để khai thác mới là chìa khóa cho thành công vì một tương lai dựa trên năng lượng bền vững, cũng như việc giải quyết vấn đề nhu cầu điện không đồng đều. Đây chính là chỗ thể hiện vai trò tối quan trọng của các trường đại học. Việc hợp tác giữa các ngành và các trường đã dẫn đến sự phát triển ít nhất là hai hệ thống tiên phong trong thế giới năng lượng tái sinh biển. Các mục tiêu giảm khí thải đang thúc bách quốc gia này đầu tư nhiều hơn nữa cho nghiên cứu qua các dự án như SuperGen, có nghĩa là thành công này sẽ còn tiếp diễn. Và kết quả là, thế hệ sinh viên sau đại học tiếp theo hoàn toàn có khả năng thay đổi cả thế giới.