Startup Mỹ thử nghiệm thành công nhà máy địa nhiệt dưới đáy biển sâu

Khởi đầu lịch sử dưới đáy biển sâu

Thế giới vừa chứng kiến đợt thử nghiệm đầu tiên đối với một nhà máy điện địa nhiệt dưới biển, diễn ra gần một núi lửa ngầm hoạt động cách mặt nước biển gần một dặm. Mặc dù chỉ tạo ra chưa đầy 10 giây điện năng dương thuần, sự kiện này đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc khai thác một dạng năng lượng tái tạo mới dưới đại dương.

Đợt thử nghiệm kéo dài ba tuần của nhà máy điện nguyên mẫu nặng 3 tấn diễn ra tại Axial Seamount ở Đông Bắc Thái Bình Dương vào tháng 9 vừa qua. Endurance Energy, công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Seattle đứng sau dự án này, hướng tới mục tiêu thương mại hóa điện địa nhiệt dưới biển cho các quốc gia đảo Thái Bình Dương và những khách hàng đang tìm kiếm giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ.

"Đại dương sâu thẳm cung cấp cho chúng tôi nguồn nước biển lạnh vô tận để làm mát, và trọng lượng của nó giúp giữ cho hệ thống cũng như giếng khoan luôn ở trạng thái áp suất cao, nhờ đó các nhà máy của chúng tôi có thể nhỏ gọn hơn," ông Andrew Redd, nhà sáng lập kiêm CEO của Endurance Energy, chia sẻ qua email.

Tuy nhiên, các nỗ lực khai thác địa nhiệt dưới đáy biển phải đối mặt với nhiều thách thức khác biệt so với các dự án trên đất liền, điều này cũng làm tăng chi phí lắp đặt và vận hành. Do đó, Endurance Energy phải chứng minh khả năng vận hành dưới nước ổn định cũng như chứng minh phương pháp này mang lại hiệu quả về mặt chi phí.

"Nó có thể khả thi về mặt kỹ thuật, nhưng chắc chắn sẽ tốn kém hơn so với việc thực hiện trên đất liền," ông Roland Horne, giáo sư khoa học và kỹ thuật năng lượng tại Đại học Stanford, cho biết trong một phản hồi qua email.

Thách thức từ khoan biển sâu

Quá trình triển khai của Endurance Energy đòi hỏi phải sử dụng một giàn khoan bám đáy biển thả từ tàu Ocean Guardian do Stabbert Maritime vận hành, tiến hành khoan hai lỗ trên Quét đáy đại dương ở độ sâu khoảng 5.000 feet (1.524 mét). Điều này có nghĩa là cuộc thử nghiệm diễn ra ở độ sâu gấp hơn 2,5 lần chiều cao của tòa nhà One World Trade Center tại Thành phố New York.

Cả hai lỗ khoan đều bắt đầu phun ra chất lỏng thủy nhiệt nóng có nhiệt độ đo được khoảng 500° F (260° C). Nhóm ngũ của Endurance Energy tiếp tục đặt ống chống và xi măng cho lỗ khoan thứ hai trước khi lắp đặt van để tạo thành một giếng.

Tiếp theo, công ty đã triển khai nhà máy điện công suất 100 kilowatt mang tên Adélie, được thiết kế để làm bốc hơi chất lỏng thủy nhiệt đi vào nhằm quay tua-bin và vận hành máy phát điện. Họ đã sử dụng sự hỗ trợ từ tàu lặn điều khiển từ xa ROPOS của Canada để kết nối nhà máy điện với giếng khoan mới.

Adélie cũng kết nối với trung tâm điều khiển tại Seattle của Endurance Energy thông qua Mảng cáp khu vực, một hệ thống mạng cáp quang và cáp điện ngầm dài 559 dặm (900 km) cung cấp cả điện năng lẫn kết nối cho các cảm biến khoa học dưới đáy biển. Mạng lưới này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và vận hành bởi Đại học Washington.

Tất cả những điều đó đã tạo nền tảng cho thử nghiệm phát điện của Adélie. Tuy nhiên, một trở ngại lớn nhanh chóng xuất hiện khi giếng khoan kéo dài 52 feet (16 mét) xuống đáy biển không cung cấp đủ chất lỏng thủy nhiệt để vận hành nhà máy điện.

"Đối với giếng đầu tiên của chúng tôi, mục tiêu là chứng minh chúng tôi có thể khoan, đặt ống chống, trám xi măng và bịt kín một giếng dưới đáy biển, vì vậy chúng tôi giữ cho nó nhỏ và nông," ông Redd giải thích. "Điều đó hạn chế lượng chất lỏng mà giếng có thể cung cấp, và các giếng sâu hơn sẽ thay đổi điều đó."

Giếng thử nghiệm cũng chỉ rộng 2 inch (5 cm), so với các giếng dầu khí và địa nhiệt trên đất liền thường có đường kính ống từ 20 đến 36 inch (51 đến 91 cm).

Endurance Energy có kế hoạch khắc phục vấn đề này trong tương lai bằng cách khoan các giếng sâu hơn để tiếp cận nhiều chất lỏng hơn. Giàn khoan hiện tại của công ty có thể đạt độ sâu khoảng 260 feet (80 mét), gấp năm lần giếng thử nghiệm ban đầu.

Cấp nguồn thử nghiệm

Để thử vận hành nhà máy điện Adélie, nhóm đã di chuyển nó đến một khe phun tự nhiên gần đó, nơi chất lỏng thủy nhiệt đang tuôn trào ở nhiệt độ khoảng 538° F (281° C). Vào ngày 27 tháng 9, họ đã tiến hành thử nghiệm.

Trong gần nửa phút, tua-bin của nhà máy điện đã đạt khoảng 26.000 vòng/phút và giúp máy phát điện sản xuất ra 60 watt-giờ điện.

Nhà máy điện cũng đạt trạng thái dương thuần khi sản xuất ra lượng điện nhiều hơn mức tiêu thụ trong khoảng 8,7 giây. Nó tạo ra mức công suất ròng trung bình khoảng 2 kilowatt và đạt đỉnh 16,5 kilowatt.

"Đó chính là bằng chứng xác thực," ông Redd nói với Ars. "Dương thuần là ngưỡng quan trọng: nhà máy tạo ra nhiều điện hơn mức nó tiêu thụ để tự vận hành dưới đáy biển, điều mà chưa ai từng làm trước đây."

Nhưng sau đó, một sự cố phần mềm đã làm gián đoạn quá trình vận hành. Trước khi máy phát điện tiếp quản, Adélie ban đầu phải dựa vào pin để vận hành các máy bơm, động cơ đẩy và bộ điều khiển cùng với việc quay tua-bin để đạt tốc độ cần thiết, ông Redd giải thích. Một mô-đun pin đã ghi nhận hiện tượng tăng vọt dòng điện trong quá trình khởi động và sau đó ngừng báo cáo.

Điều này khiến phần mềm của Adélie tự động dừng nhà máy điện như một biện pháp phòng ngừa an toàn, do nó vẫn tiếp tục dựa vào dữ liệu cũ từ mô-đun pin.

Khi nhóm đang khởi động lại nhà máy điện, một cáp điện cung cấp nguồn cho bơm chất làm lạnh cũng bị hỏng khi lớp vỏ cáp bị lỗi cho phép nước biển thấm vào và làm đoản mạch hai dây dẫn điện. Điều đó đã chấm dứt đợt thử nghiệm, mặc dù Endurance Energy đã có kế hoạch sử dụng kinh nghiệm này để cải thiện cách họ chế tạo và thử nghiệm cáp ngầm.

Triển khai trong tương lai

Việc đặt nhà máy địa nhiệt lên trên một khe phun thủy nhiệt tự nhiên là một thử nghiệm một lần phục vụ hoàn toàn cho mục đích nghiên cứu và trình diễn, ông Redd cho biết. Công ty của ông vẫn có kế hoạch dựa vào các giếng khoan trong các lần triển khai tiếp theo.

Endurance Energy cũng mô tả các bước nhằm giảm thiểu tác động môi trường tiềm ẩn đối với đáy biển và sinh vật biển. Nhóm đã chọn địa điểm "ít gây xáo trộn nhất" cho đợt thử nghiệm và liên tục giám sát quá trình bằng cách lấy mẫu nước cũng như ghi nhận các loài sinh vật dưới đáy biển. Công ty cũng đối chiếu kết quả với các cảm biến khoa học do các nhà nghiên cứu độc lập vận hành.

Đợt thử nghiệm tiếp theo của công ty dự kiến diễn ra vào mùa đông năm 2026-2027 sẽ sử dụng nhà máy Adélie được tân trang và nâng cấp—được đổi tên thành Gentoo theo tên loài chim cánh cụt—nhằm mục đích duy trì công suất phát điện cao hơn.

Công ty cũng đang phát triển một máy phát điện thương mại lớn hơn với công suất 2 megawatt cho lần triển khai thương mại đầu tiên dự kiến với Vương quốc Tonga vào năm 2027. Quốc đảo Polynesia ở Nam Thái Bình Dương này vận hành lưới điện chủ yếu bằng nhiên liệu diesel nhập khẩu.

Các dự án năng lượng địa nhiệt vốn đã mang lại hiệu quả chi phí trên đất liền nhưng vẫn đang ở ranh giới cạnh tranh về giá, theo ông Horne từ Đại học Stanford. Tuy nhiên, các khách hàng khác vẫn có thể cân nhắc cách tiếp cận của Endurance Energy nếu công ty có thể chứng minh hoạt động đáng tin cậy theo thời gian.