BM: Cách tạo năng lượng từ nước

Có lẽ đây là nguồn năng lượng xanh được khai thác ở mức khiêm tốn nhất so với tiềm năng của nó.

Nước biển và nước ngọt khi hoà vào nhau ở cửa sông sẽ tạo phản ứng hoá học có thể được khai thác để làm ra điện.

Theo một ước tính, nguồn năng lượng xanh này nhiều đến nỗi nó có thể đáp ứng mọi nhu cầu của con người nếu được tận dụng một cách hữu hiệu.

Năng lượng xanh được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1954, bởi một kỹ sư người Anh tên là R E Pattle.

Nó còn được gọi là ‘năng lượng thẩm thấu” bởi được tạo ra từ hiện tượng thấm thấu.

Hãy tưởng tượng hai loại nước khác nhau, với hai nồng độ chất hoà tan, ví dụ như muối, khác nhau.

Nếu hai loại nước này được ngăn cách bởi một màng ‘bán thấm’, chỉ cho nước đi qua còn muối bị cản lại, thì nước sẽ di chuyển từ bên nồng độ muối thấp sang bên có nồng độ muối cao.

Dòng chảy của nước sẽ tạo chênh lệch áp suất giữa hai bên màng lọc, giúp vận hành các tua-bin phát điện.

Cho tới thập niên 1970, ý tưởng của Pattle mới được tận dụng cho việc phát điện. Đó là thời điểm mà vật liệu để làm màng bán thấm được phổ biến rộng rãi trên thị trường.

Một nhà khoa học người Israel tên là Sidney Loeb cho rằng chúng có thể được sử dụng trong cái mà ông gọi là ‘các nhà máy điện thẩm thấu’.

Loeb hy vọng rằng các nhà máy này có thể tận dụng nguồn năng lượng phát ra khi nước sông Jordan hoà vào vùng nước mặn chát của Biển Chết.

Những nhà máy này hoạt động hiệu quả nhất khi dòng nước qua các màng bán thấm chảy chậm.

Tốc độ chảy của dòng nước có thể được điều chỉnh bằng cách ép nước biển để tạo áp suất đủ lớn nhằm cản dòng chảy nước ngọt tràn sang từ phía bên kia màng bán thấm.

Công nghệ này được gọi là ‘Áp suất thẩm thấu chậm’.

Bên trong nhà máy năng lượng thẩm thấu

Nhà máy năng lượng xanh đầu tiên sử dụng công nghệ áp suất thẩm thấu chậm được khai trương ở Tofte, Na U, vào năm 2009, của công ty Statkraft.

Nhà máy có công suất sản xuất điện khoảng 4kW - một con số quá nhỏ so với công suất 5.000 kW của một nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ.

Tuy nhiên, dù các quy trình hoạt động theo đúng như dự tính nhưng các thiết bị lại không sản xuất ra đủ năng lượng để bù lại chi phí xây dựng, vận hành vào bảo trì. Statkraft đóng cửa nhà máy vào năm 2013.

Tuy nhiên, những công ty khác vẫn chưa tỏ ra nản chí.

Tại viện nghiên cứu nước Wetsus ở Leeuwarden, Hà Lan, một công ty con có tên gọi REDstack đã bắt đầu sử dụng một phương pháp năng lượng thẩm thấu khác gọi là ‘thẩm thấu ngược’ trong một nhà máy thử nghiệm.

Công nghệ này không quá khác so với công nghệ áp suất thẩm thấu chậm.

Nó sử dụng các màng bán thấm cho phép ion muối, thay vì các phân tử nước, đi qua.

Có hai loại màng: một loại cho phép các ion âm clo đi qua, và một loại cho phép các ion dương natri đi qua.

Điều này tạo nên hai cực của một dòng điện và từ đó có thể được sử dụng để trực tiếp tạo ra điện mà không cần các tua-bin chạy bằng áp suất.

Như vậy, trên lý thuyết, phương pháp này khá hữu hiệu vì có thể thu về năng lượng ngay trong quá trình hoà trộn nước.

Các nhà khoa học ở Wetsus cũng đang nghiên cứu một phương pháp thứ ba gọi là hoà trộn điện dung (capmix).

Trong phương pháp này, nước biển và nước ngọt được lần lượt được bơm vào một bồn chứa có hai điện cực, hoạt động như hai tụ điện. Quy trình này cũng giúp tạo ra nguồn điện.

Một liên minh gồm các viện nghiên cứu tại Hà Lan, Ý, Ba Lan và Tây Ban Nha, với tổng trị giá 2,4 triệu euro đã sử dụng công nghệ hoà trộn điện dung từ năm 2010.

Một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Utrecht, do nhà khoa học vật lý Rene van Roij dẫn đầu gần đây đã chỉ ra rằng trên lý thuyết, nguồn năng lượng từ các thiết bị hoà trộn điện dung có thể được tăng gấp đôi nếu như nước ngọt được làm nóng khoảng 50 độ trước khi hoà với nước biển.

Việc làm nóng này không cần dùng đến nhiên liệu hoá thạch, các nhà nghiên cứu cho biết. Chúng ta có thể dùng nước thải, vốn được hâm nóng từ các quy trình trong công nghiệp, ví dụ như nước làm mát từ các nhà máy điện.

Rene van Roij

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Granada ở Tây Ban Nha đã tình cờ chứng minh rằng điều này là khả thi vào cùng thời điểm mà nhóm nghiên cứu Hà Lan đưa ra giải thiết trên.

Phương pháp thẩm thấu có thể được áp dụng với các chất hoà tan trong nước khác, ví dụ như đường.

Như vậy, năng lượng xanh không chỉ giới hạn ở việc trộn nước biển với nước sông.

Năm 2013, một nhóm nghiên cứu ở Wetsus chỉ ra rằng có thể tạo ra điện từ việc hoà tan khí CO2, vốn được thải ra từ các nhà máy nhiệt điện.

CO2 hoà tan trong nước sẽ tạo ra acid carbonic, vốn sau đó tách ra thành ion carbonate acid và ion hydro.

Những thành phần này sau đó có thể được đưa vào bồn có điện cực và tạo ra năng lượng bằng phương pháp hoà trộn điện dung, tương tự như khi dùng ion muối thông thường.

Thay vì trộn nước biển vào nước ngọt, chúng ta có thể trộn nước với dioxide carbon (để tạo được chất tương tự nước biển) và sau đó với không khí sạch (để tạo chất tương tự như nước ngọt).

Các nhà nghiên cứu nói trên toàn cầu, các nhà máy nhiệt điện xả ra lượng khí CO2 đủ để tạo ra 850 Terawatt giờ mỗi năm, gần 100 lần lượng tiêu thụ điện hàng năm tại Anh quốc.

Đây là một ý tưởng có thể biến CO2 - thứ luôn là một phần trong các vấn đề đau đầu liên quan tới việc sử dụng năng lượng, trở thành một phần của giải pháp.

Philip Ball