CHLB ĐỨC – Tại một khu mỏ than cũ ở miền đông nước Đức, một tuabin gió cao hơn tháp Eiffel vừa được dựng lên. Tính từ mặt đất đến đầu cánh quạt, tuabin cao 365 m. Phần lớn tuabin gió trên đất liền hiện nay có trục rotor (hub) đặt ở độ cao dưới 200 m, còn trục rotor của tuabin này nằm ở độ cao 300 m. Tại CHLB Đức, chỉ có tháp truyền hình Berlin cao hơn tuabin này 3 m.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video từ kênh Interesting Engineering Explains, nói về tuabin gió siêu cao của tập đoàn GICON tại CHLB Đức, từ ý tưởng ban đầu, kết cấu tháp ống lồng và kỹ thuật nâng bằng kích thủy lực, đến khả năng bố trí trong các trang trại gió hiện có cùng những thách thức về sản lượng, chi phí và quy hoạch.

Tuabin đặt trên đỉnh tháp là loại tiêu chuẩn, công suất 3,8 MW, nhỏ hơn nhiều tuabin đang được lắp đặt hiện nay. Khác biệt của công trình nằm ở độ cao lắp đặt. Từ đó có ba vấn đề cần làm rõ: lý do đưa một tuabin tiêu chuẩn lên độ cao này, cách lắp đặt khi không có cần cẩu nào vươn tới, và khả năng thu hồi vốn của công trình.

Để xem và hiểu đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] ở góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Ý tưởng đưa tuabin gió lên cao của kỹ sư Horst Bendix
Tuabin gió siêu cao của tập đoàn GICON nằm tại thị trấn Schipkau, thuộc vùng Lusatia, phía đông nam thủ đô Berlin. Công trình do tập đoàn kỹ thuật GICON (trụ sở tại thành phố Dresden) xây dựng cho SPRIND (1), cơ quan liên bang chuyên thúc đẩy các đổi mới đột phá của CHLB Đức. Ý tưởng ban đầu thuộc về ông Horst Bendix, kỹ sư người Đức từng thiết kế các máy đào than non (lignite) cỡ lớn và tham gia xây dựng tháp truyền hình Berlin. Sau khi nghỉ hưu, ông theo đuổi ý tưởng rằng càng lên cao, gió càng mạnh và ổn định. Ông đưa ý tưởng này đến SPRIND trong năm hoạt động đầu tiên của cơ quan, và đây trở thành dự án đổi mới đột phá đầu tiên được hội đồng giám sát của SPRIND phê duyệt. Theo phương án ban đầu, máy phát điện nặng được đặt dưới mặt đất và truyền động bằng dây đai. Phương án này sau đó bị loại bỏ vì kém tin cậy và dây đai dễ mòn.
(1) SPRIND (Bundesagentur für Sprunginnovationen): là cơ quan liên bang của CHLB Đức chuyên tài trợ và thúc đẩy các ý tưởng đổi mới mang tính đột phá, tức những công nghệ có khả năng tạo ra thay đổi lớn đối với thị trường hoặc xã hội nhưng thường có mức rủi ro cao và khó tiếp cận các kênh đầu tư thông thường.

Về thực chất, công trình là một tuabin tiêu chuẩn lắp trên một tòa tháp có kết cấu khác thường. Tuabin của công ty Vensys có công suất định mức 3,8 MW, đường kính rotor 126 m. Tuabin cao nhất trước đó của CHLB Đức đặt tại Winnberg (bang Bavaria), cao 285 m. Tuabin nguyên mẫu 26 MW của công ty Dongfang (Trung Quốc) thấp hơn tuabin tại Schipkau khoảng 25 m.

Càng lên cao, gió càng mạnh và ổn định
Ở gần mặt đất, rừng cây, nhà cửa và đồi núi tạo ma sát với luồng gió, làm gió yếu đi và bị xáo trộn. Ở trên cao, gió thổi nhanh và đều hơn. Một tuabin có độ cao 300 m đặt cạnh công trình đã ghi nhận dữ liệu gió từ năm 2023. Nhà khí tượng học Stefan Emeis, trước đây làm việc tại viện công nghệ Karlsruhe (Karlsruhe Institute of Technology), đã phân tích dữ liệu của một năm đo. Tốc độ gió trung bình ở độ cao 300 m đạt 8,51 m/s. Ở độ cao 150 m, tốc độ gió trung bình là 6,66 m/s. Như vậy, gió ở độ cao 300 m nhanh hơn khoảng 28%. Do công suất của gió tăng theo lập phương tốc độ gió, tốc độ tăng 28% tương ứng với công suất gió tăng gần gấp đôi. Kết quả này phù hợp với tuyên bố của tập đoàn GICON: tuabin có thể tạo ra lượng điện gấp khoảng hai lần so với một tuabin thông thường có cùng kích thước rotor.

(Hình minh họa từ YouTube)

Gió trên cao cũng ổn định hơn. Gió mạnh nhất thường xuất hiện vào ban đêm, khi các tấm pin mặt trời không phát điện. Ông Christoph Winkler, chuyên gia của trung tâm nghiên cứu Forschungszentrum Jülich (CHLB Đức), nhận thấy mức chênh lệch lớn hơn vào mùa đông, thời điểm sản lượng điện mặt trời thấp nhất. Đặc điểm này có ý nghĩa lớn đối với CHLB Đức, quốc gia luôn lo ngại hiện tượng Dunkelflaute (2), tức những giai đoạn mùa đông thiếu nắng và ít gió.
(2) Dunkelflaute: là thuật ngữ tiếng Đức chỉ những giai đoạn trời tối, nhiều mây và gần như không có gió, khiến sản lượng điện mặt trời và điện gió cùng giảm mạnh. Hiện tượng này thường xảy ra vào mùa đông và là thách thức lớn đối với các hệ thống điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao.

Cần cẩu và vận chuyển – hai rào cản của tuabin cao
Hai trở ngại chính khi xây dựng tuabin cao hơn là cần cẩu và vận chuyển. Tuabin được lắp lên đỉnh tháp bằng cần cẩu. Theo ông Jochen Großmann, nhà sáng lập GICON, hiện không có cần cẩu nào trên thế giới đủ khả năng nâng một tuabin lên độ cao 300 m. Cần cẩu sử dụng tại công trình, được mô tả là lớn nhất châu Âu, có tầm với khoảng 180 m. Trở ngại thứ hai nằm ở thân tháp. Phần lớn tháp tuabin là ống thép, và tháp càng cao thì chân đế càng phải rộng để chống uốn. Tuy nhiên, mỗi đoạn tháp phải được vận chuyển bằng xe tải và đi qua gầm cầu, nên đường kính tháp bị giới hạn ở khoảng 4,5 m.

Tháp ống lồng và kỹ thuật nâng từ ngành xây dựng cầu
Tập đoàn GICON sử dụng kết cấu tháp dạng ống lồng. Tháp ngoài là khung giàn thép hở, có hình dạng tương tự cột điện cao thế cỡ lớn. Chân đế rộng giúp tháp chống uốn, còn từng cấu kiện đủ nhỏ để vận chuyển bằng xe tải và lắp ghép bằng bu lông tại công trường. Tháp ngoài sử dụng hơn 2.000 tấn thép, khoảng 22.000 cấu kiện và khoảng 80.000 bu lông, với chiều cao gần 160 m. Bên trong tháp ngoài là tháp trong có thân mảnh hơn. Đội thi công lắp vỏ máy (nacelle) và rotor lên đỉnh tháp trong lúc tháp này mới cao khoảng 150 m, vẫn nằm trong tầm với của cần cẩu.

Sau đó, đội thi công sử dụng kích kéo cáp (strand jack) (3), kỹ thuật vốn được dùng trong xây dựng cầu. Các kích thủy lực dùng chêm kẹp chặt các bó cáp thép, sau đó kéo, khóa, kẹp lại và tiếp tục kéo theo từng nhịp ngắn. Theo cách này, tháp trong được nâng dần lên khỏi khung giàn, mang theo tuabin với tốc độ khoảng 9 m mỗi giờ. Quá trình nâng nhiều lần phải tạm dừng do gió giật. Ngày 28/9/2026, trục rotor đạt độ cao 300 m và tháp trong được cố định vào vị trí.
(3) Strand jack: là thiết bị nâng thủy lực sử dụng các bó cáp thép (strand) và cơ cấu chêm kẹp để nâng hoặc hạ các kết cấu rất nặng theo từng nhịp ngắn. Thiết bị này thường được dùng trong xây dựng cầu, lắp đặt mái nhịp lớn và các công trình cần đưa tải trọng lớn lên độ cao mà cần cẩu thông thường không đáp ứng được.

Bổ sung “tầng thứ hai” cho các trang trại gió hiện có
Tuabin tại thị trấn Schipkau nằm trong một trang trại gió đang hoạt động, và rotor của tuabin quay ở độ cao vượt trên các tuabin xung quanh. Theo ông Großmann, các tuabin này đủ cao để rotor không chồng lấn và không lấy gió của nhau, tạo thành một “tầng thứ hai” cho trang trại gió. Tập đoàn GICON và SPRIND ước tính có thể bố trí tối đa 4.000 tuabin như vậy trong các trang trại gió hiện có tại CHLB Đức mà không cần sử dụng thêm đất. Quỹ đất hiện là điểm nghẽn của ngành điện gió. CHLB Đức đã luật hóa mục tiêu dành 2% diện tích đất cho điện gió trên đất liền vào năm 2032.

Theo ông Großmann, một trang trại gió mới cần khoảng 7 năm để triển khai, trong đó 5 năm dành cho thủ tục cấp phép. Xây dựng trên các địa điểm sẵn có có thể rút ngắn 3-4 năm lập kế hoạch. Bước tiếp theo của dự án là một trang trại nhỏ gồm 3-5 tuabin. Các phiên bản sản xuất hàng loạt dự kiến sử dụng tuabin công suất trên 7 MW. Ông Großmann đặt mục tiêu có 100 tuabin tại CHLB Đức vào đầu những năm 2030.

Mức tăng sản lượng điện cần được kiểm chứng
Mức tăng gấp đôi sản lượng là vấn đề đầu tiên cần được làm rõ. Gió ở độ cao 300 m có thể chứa năng lượng gấp đôi, nhưng tuabin không nhất thiết khai thác được toàn bộ. Khi đạt công suất định mức, ở đây là 3,8 MW, phần năng lượng gió vượt mức sẽ không được chuyển thành điện. Ông Winkler đánh giá mức tăng sản lượng khoảng 60% là hợp lý, còn ông Emeis dự kiến mức tăng khoảng hai phần ba. Mục tiêu của chính phủ CHLB Đức là tăng ít nhất 60%. Kết quả cụ thể sẽ được xác định qua dữ liệu vận hành thực tế.

Chi phí đầu tư vẫn ở mức cao
Vấn đề thứ hai là chi phí. Chính phủ liên bang ước tính chi phí xây dựng công trình vào khoảng 25 triệu EUR. Theo ông Winkler, suất đầu tư (specific build cost), tức chi phí xây dựng tính trên mỗi kilowatt công suất, cao gần gấp bốn lần một tuabin thông thường năm 2025. Kể cả khi tính phần sản lượng tăng thêm, chi phí trên mỗi kilowatt vẫn cần giảm khoảng 60% để có thể cạnh tranh. Công trình nguyên mẫu thường có chi phí cao. Một tuabin công suất lớn hơn có thể giảm chi phí trên mỗi kilowatt tới một phần ba, và sản xuất hàng loạt cũng góp phần giảm chi phí. Tuy nhiên, đây vẫn là các dự báo.

Dữ liệu đo gió, quy mô và khoảng cách đến khu dân cư
Vấn đề thứ ba là dữ liệu. Một năm đo đạc là bước khởi đầu tốt, nhưng các đánh giá tài nguyên gió đáng tin cậy thường dựa trên dữ liệu khoảng 30 năm. Vấn đề thứ tư là quy mô. Ông Emeis cảnh báo rằng trong các trang trại gió rất lớn, các tuabin này sẽ bị giảm sản lượng do vùng gió xáo trộn phía sau mà các tuabin tạo ra cho nhau. Lợi thế của giải pháp phát huy tốt nhất ở các trang trại quy mô nhỏ hơn.

Vấn đề thứ năm liên quan đến cư dân xung quanh. Người dân có thể nhìn thấy một tuabin cao 365 m từ khoảng cách xa hơn nhiều so với tuabin thông thường. Tại CHLB Đức, tòa án đánh giá một tuabin có gây cảm giác đè nén, lấn át về thị giác hay không dựa trên khoảng cách từ tuabin đến nhà dân so với chiều cao của tuabin. Khi chiều cao tăng gần gấp đôi, khoảng cách tối thiểu đến khu dân cư cũng có thể tăng gần gấp đôi.

Tiến độ xây dựng và giai đoạn vận hành thử nghiệm
Quá trình xây dựng gặp một số trở ngại. Một nhà thầu phụ cung cấp cấu kiện thép không đạt tiêu chuẩn chất lượng, khiến công trình phải mất một mùa đông để kiểm tra và thay thế. Tuabin ban đầu dự kiến vận hành vào mùa hè năm 2026, nay lùi sang tháng 11. Hiện các đội thi công đang lắp đặt hệ thống dây điện. Lễ khánh thành chính thức dự kiến diễn ra vào ngày 19/11. Sau đó, giai đoạn vận hành sẽ cho thấy tuabin tạo ra bao nhiêu điện, chi phí vận hành và bảo trì ở độ cao 300 m là bao nhiêu, và liệu công trình có vượt qua tuổi thọ thông thường 20 năm của một tuabin gió hay không. Ông Horst Bendix không có cơ hội chứng kiến công trình hoàn thành. Hiện nay tại CHLB Đức, chỉ có tháp truyền hình Berlin, nơi ông từng tham gia xây dựng, cao hơn tuabin hiện thực hóa ý tưởng của ông.

Để xem các tin bài khác về “Tuabin gió”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Interesting Engineering Explains