GE và những nỗ lực vì tương lai của năng lượng tái tạo
Trong năm thập kỷ kể từ Ngày Trái đất đầu tiên, thế giới ngày càng hiểu rõ những nguy cơ do biến đổi khí hậu gây nên và tìm ra các giải pháp cần thiết. Thế nhưng những việc phải làm còn rất nhiều. Chỉ xét riêng việc chuyển sang sử dụng ô tô điện thôi cũng buộc chúng ta phải xem lại cách sản xuất lẫn phân phối điện.
Năng lượng tái tạo rõ ràng là một phần quan trọng trong tương lai của năng lượng, nhưng khí tự nhiên, tích trữ năng lượng, thủy điện và lưới điện kỹ thuật số cũng rất quan trọng. Các ngành công nghiệp khác, ví dụ như ngành hàng không cũng phải nỗ lực khử cacbon để ngăn hành tinh nóng lên.
Làm sao để trong tương lai Trái Đất có lượng cacbon thấp? Các nhà nghiên cứu tại GE Research có một số ý tưởng. Ví dụ, một nhóm nghiên cứu đang chế tạo một máy phát điện siêu dẫn cho các tuabin gió để nâng cao hiệu suất của chúng và giúp giảm chi phí năng lượng. Một nhóm khác tại LM Wind Power – đơn vị trực thuộc GE Renewable Energy lại đang sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các đầu cánh tuabin nhẹ hơn và mạnh hơn, đồng thời nghiên cứu để trong tương lai, những cánh quạt đó có thể tái chế hoàn toàn khi hết tuổi thọ. Các đồng nghiệp của họ cũng phụ trách in 3D các bộ phận khác của tuabin gió. Ở những nơi khác, các nhà khoa học của GE đang sử dụng các siêu máy tính mạnh mẽ để cải thiện thiết kế trang trại gió và đưa các tuabin khí lên một tầm cao mới.
GIẤC MƠ TỪ TRƯỜNG
Máy chụp cộng hưởng từ (MRI) 3 Tesla được lắp đặt trong phòng thí nghiệm MRI chuyên dụng của GE Research tại khuôn viên Niskayuna, New York. Nhóm nghiên cứu MRI và nam châm siêu dẫn hỗ trợ phát triển các hệ thống con và ứng dụng MRI tiên tiến, bao gồm các thiết kế nam châm siêu dẫn mới. Nhiều nhà khoa học nghiên cứu nam châm tiên tiến cho công nghệ máy quét chăm sóc sức khỏe này đồng thời tham gia dự án máy phát điện gió siêu dẫn. Nguồn ảnh: GE Research.
Một phát hiện trong đợt lạnh kỷ lục cách đây hơn một thế kỷ đang làm nóng lên nghiên cứu về tuabin gió của GE. Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan – Heike Kamerlingh Onnes phát hiện ra các electron thường bị mất năng lượng khi xoay quanh một dây dẫn điện, không có điện trở trong một dây thủy ngân được làm lạnh gần bằng không – nhiệt độ thấp nhất có thể, âm 459,67 độ F. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng siêu dẫn, có thể giúp các chip máy tính chạy nhanh hơn và cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI). Giờ đây, hiện tượng siêu dẫn có thể được ứng dụng để nâng hiệu quả cho các máy phát điện giúp các tuabin gió ngoài khơi hoạt động mạnh mẽ.
Bộ Năng lượng đã tài trợ 20,3 triệu USD cho các nhà nghiên cứu của GE để nghiên cứu các máy phát điện siêu dẫn có thể giúp giảm chi phí năng lượng gió, đơn giản hóa chuỗi cung ứng sản xuất tuabin và hỗ trợ mục tiêu của DOE tăng gần gấp ba thị phần năng lượng gió của Mỹ lên 20% trong thập kỷ tới.
THAM VỌNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐẨY SIÊU MẠNH BẰNG ĐIỆN
Nhóm nghiên cứu tại GE Research đang tìm cách thiết kế một hệ thống đẩy chạy bằng điện đủ mạnh và đủ nhẹ để giữ một máy bay thương mại trị giá 175.000 bảng Anh cùng 175 hành khách trên trời. Dự án này đã nhận được 4,8 triệu đô la tài trợ từ Cơ quan Dự án Nghiên cứu Công nghệ Năng lượng Tiên tiến (ARPA-E) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ. Nguồn ảnh: Getty Images.
Hàng không thương mại đã tiến một bước tiến dài trong việc sử dụng nhiên liệu hiệu quả: Lượng nhiên liệu sử dụng cho mỗi hành khách đã giảm 80% kể từ năm 1960. Tuy nhiên, việc tiết kiệm nhiên liệu này không theo kịp sự phát triển chóng mặt của hàng không chở khách. Điều này khiến cho các máy bay hàng đầu và các nhà thiết kế động cơ phải tìm kiếm những cách thức mới để làm giảm tác động của hàng không đối với môi trường trong những thập kỷ tới. John Yagielski, kỹ sư trưởng cấp cao tại Trung tâm Nghiên cứu Toàn cầu của GE ở Niskayuna, New York cho biết: “Chúng ta cần một cái gì đó khác biệt về cơ bản để có bước nhảy vọt tiếp theo”. Yagielski và các đồng nghiệp của ông đang nghiên cứu thứ “khác biệt về cơ bản” đó: một hệ thống động cơ đẩy bằng điện đủ mạnh và nhẹ để giữ một chiếc máy bay thương mại nặng 175.000 pound và 175 hành khách trên trời.
Mục tiêu này đang được Cơ quan Dự án Nghiên cứu Công nghệ Năng lượng Tiên tiến (ARPA-E) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ 4,8 triệu đô la. Tuy nhiên, để thực hiện được hoàn toàn không phải chuyện dễ dàng. Thách thức đối với các nhà nghiên cứu là phải tìm ra cách để sản xuất hàng megawatt điện từ nhiên liệu sinh học, sau đó làm thế nào để biến năng lượng điện đó thành lực đẩy đủ để vận hành một chiếc máy bay phản lực Boeing 737. Các kỹ sư GE cũng phải hình dung lại động cơ máy bay trông như thế nào, đưa ra những thiết kế mới hiệu quả hơn cho chuyến bay so với kiểu động cơ truyền thống bên dưới mỗi cánh. “Quan trọng là phải chứng minh tính khả thi của những công nghệ này và thuyết phục ARPA-E đầu tư vào việc xây dựng một nguyên mẫu hoàn chỉnh và thử nghiệm nó” – Yagielski nói. “Dự án này dành cho máy bay của những năm 2050.”
BÁC SĨ TUABIN
Các kỹ thuật viên của GE đang sử dụng phần mềm để lấy một khối lượng dữ liệu cứng khổng lồ về các tuabin gió. Họ có thể tận dụng những dữ liệu này để bảo trì đồng hồ đo đường, lên lịch kiểm tra trong những tháng ít gió hơn trong năm. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy.
Nếu là người thường xuyên lái xe đường dài, bạn nên bảo dưỡng ô tô vài tháng một lần. Nhưng nếu chỉ đi siêu thị mỗi tuần một lần thì bạn có thể tạm hoãn việc kiểm tra cũng được. Đó là cách tiếp cận mà các kỹ sư tại GE Renewable Energy hiện đang sử dụng để bảo dưỡng các tuabin gió. Họ gọi là “bảo trì đồng hồ đo đường” và điều đó có thể có nghĩa là các chủ trang trại gió có nhiều tiền hơn và những người khác có nhiều năng lượng tái tạo hơn. Brian Theilemann – nhà lãnh đạo cải tiến liên tục các dịch vụ toàn cầu tại GE Renewable Energy cho biết: “Bạn không nhất thiết phải thay dầu ô tô nếu nó đã nằm yên một chỗ trong nhiều tháng. Với tuabin gió cũng vậy. Chúng tôi không bảo trì dựa trên thời gian sử dụng nữa mà dựa trên tần suất.”
Theilemann và nhóm của ông đang sử dụng phần mềm để nhập một khối lượng dữ liệu cứng khổng lồ về sản lượng điện, tốc độ gió, nhiệt độ bên trong và bên ngoài, cách sử dụng ổ trục và thậm chí cả loại dầu được dùng để bôi trơn hộp số của tuabin. Sau đó, mô hình thống kê của phần mềm sẽ cung cấp thông tin chi tiết giúp họ xác định thời gian thích hợp để bảo trì, việc này có thể giúp kéo dài thời gian tuabin hoạt động trong suốt mùa gió. Trên thực tế, các nhà sản xuất điện có thể tận dụng việc bảo trì đồng hồ đo đường để lên lịch kiểm tra trong những tháng ít gió hơn trong năm, vốn ít sinh lời hơn về mặt doanh thu bán buôn điện.
BƯỚC ĐỘT PHÁ
Tại các trang trại gió, các công ty Châu Âu COBOD và LafargeHolcim đang có kế hoạch sử dụng công nghệ in 3D và bê tông hiệu suất cao để sản xuất đế tuabin gió có thể làm cho tuabin cao thêm 80m hoặc hơn. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy / LafargeHolcim / COBOD.
Ngành công nghiệp gió đang phát triển nhanh chóng và các tuabin gió cũng vậy. Lý do là bởi chúng có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn khi vươn cao ở nơi gió mạnh hơn. Trên thực tế, bằng cách nâng chiều cao của các tuabin hiện có, các chủ trang trại gió ước tính có thể tăng sản lượng lên tới 30%. Tuy nhiên, xây dựng các tuabin cao hơn là điều không hề dễ dàng bởi vận chuyển khó và chi phí lắp đặt rất đắt. Nhưng trong khó khăn là cơ hội, GE Renewable Energy cùng với hai công ty sáng tạo của châu Âu đang hướng tới giải pháp in 3D.
GE đã hợp tác với LafargeHolcim – công ty hàng đầu thế giới về vật liệu xây dựng và COBOD – doanh nghiệp đang phát triển các phương pháp in 3D kết cấu từ bê tông. Họ đang cùng nhau tìm cách sử dụng kỹ thuật in 3D và bê tông hiệu suất cao để sản xuất chân đế tuabin gió có thể nâng chiều cao của tuabin lên 80m nữa hoặc hơn. COBOD đã nghĩ ra một hệ thống sử dụng đầu in chạy trên đường ray trên cao – giống như một chiếc bút đánh dấu thần kỳ với phần đầu bút to bằng một bình sữa. Từng dòng một, đầu phun nhả bê tông (một hỗn hợp đặc biệt do LafargeHolcim phát triển) thông qua một vòi in theo đúng quy trình được lập trình. Henrik Lund-Nielsen, nhà sáng lập kiêm tổng giám đốc của COBOD cho biết: “Đó là một nhà máy xây dựng tự động di động mà chúng tôi có thể đưa nó đến địa điểm thi công”.
ĐỘT PHÁ CHO CÁNH TUABIN GIÓ
GE đang làm việc với các đối tác trong nước để thử nghiệm đầu lưỡi tuabin kích thước thực được làm từ da nhựa nhiệt dẻo giá rẻ, gia cố bằng cấu trúc giống khung xương được in 3D. Nguồn ảnh: LM Wind Power.
GE đã sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo một số bộ phận cho động cơ phản lực và tuabin khí. Giờ đây họ muốn ứng dụng phương pháp sản xuất bồi đắp để chế tạo cánh tuabin gió. GE Renewable Energy và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thiết lập mối quan hệ đối tác vào đầu năm nay để tạo ra các đầu lưỡi tuabin in 3D có thể nhẹ hơn và cứng hơn so với các thiết kế hiện tại và thậm chí là tái chế được.
10 đến 15 mét cuối cùng của cánh tuabin gió (phần “đầu”) thu được tới 40% năng lượng gió làm quay máy phát điện. Đó là lý do tại sao chúng lại là trọng tâm của dự án trị giá 6,7 triệu đô la Mỹ kéo dài 25 tháng này. GE và các đối tác dự định in một đầu lưỡi kích thước thực được lắp ráp từ cấu trúc giống khung xương, được in 3D và phủ bằng da nhựa nhiệt dẻo. Nhóm GE và các đối tác – Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, dự định kiểm tra các đặc tính cấu trúc của một đầu trong phòng thí nghiệm và dự kiến sẽ lắp đặt thêm ba đầu khác trên tuabin gió. Công ty con LM Wind Power của GE Renewable Energy, công ty sản xuất cánh quạt cho tuabin trên đất liền và ngoài khơi cuối cùng có thể sử dụng công nghệ này trên quy mô công nghiệp.
CUỘC ĐỜI MỚI CHO CÁC CÁNH QUẠT TUABIN ĐÃ NGƯNG SỬ DỤNG
Cánh quạt cho tuabin gió Haliade X của GE dài 107 mét. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy.
LM Wind Power là một trong những nhà sản xuất cánh quạt tuabin gió lớn nhất thế giới. Những lưỡi tuabin này được thiết kế để tồn tại hơn 20 năm. Tuy nhiên, do các giải pháp tái chế khả thi không được phổ biến rộng rãi, khi hết giá trị, chúng sẽ nằm lại các bãi rác, xếp thành hàng như xương khủng long. LM Wind Power muốn thay đổi điều đó. Công ty này đã trở thành công ty không carbon vào năm 2018, họ đang làm việc với ngành công nghiệp gió và ngành công nghiệp tái chế để mở rộng các giải pháp bền vững nhằm tái chế các cánh quạt đã qua sử dụng đồng thời thiết kế các cánh quạt có thể dễ dàng tái chế hơn trong tương lai.
Mùa thu năm ngoái, công ty mẹ của LM Wind Power – GE Renewable Energy đã hợp tác với Veolia North America để chung tay xử lý các cánh quạt cũ trong việc sản xuất xi măng Portland – thành phần phổ biến nhất trong bê tông. Vào tháng 1, một nhóm các công ty Đan Mạch bao gồm LM Wind Power đã giành được tài trợ từ các cơ quan chức năng trong nước cho một dự án kéo dài ba năm có tên gọi DecomBlades. Dự án này tập trung vào việc nâng cấp công nghệ tái chế cho các cánh quạt đã ngừng hoạt động. GE Renewable Energy cũng sẽ hợp tác với Carbon Rivers – một công ty khởi nghiệp tại Đại học Tennessee ở Knoxville và các đối tác khác để phát triển một hệ thống tái chế sợi thủy tinh từ các bộ phận của lưỡi dao. Theo Hanif Mashal, phó chủ tịch kỹ thuật và công nghệ tại LM Wind Power, doanh nghiệp này cũng đang làm việc với chuỗi cung ứng của mình. “Ngăn chặn lãng phí trước khi nó xảy ra là cách tốt nhất để giảm thiểu tác động của chúng ta lên hành tinh và đó là việc nên làm” – Hanif Mashal cho biết. Việc giảm thiểu chất thải của công ty trong quá trình sản xuất lưỡi dao đã giúp tiết kiệm hơn 33 triệu đô la kể từ năm 2016.
TẬN DỤNG TỐI ĐA NĂNG LƯỢNG GIÓ
Lawrence Cheung là kỹ sư cơ khí hàng đầu tại GE Research. Anh là người chuyên khai thác sức mạnh tính toán của các siêu máy tính hiện đại để tạo ra các mô hình phức tạp về cách gió di chuyển trong thế giới thực nhằm tận dụng tối đa năng lượng của nó. Nguồn ảnh: GE Research.
Gió là một nguồn năng lượng có thể tái tạo nhưng không phải là không giới hạn. Họ khám phá ra rằng những tuabin khổng lồ tại các trang trại gió hút vào rất nhiều khối không khí đang không ngừng di chuyển. Chúng có thể làm giảm tốc độ gió trong phạm vi 30 dặm. Điều này có nghĩa là những người nông dân ở xuôi chiều gió sẽ có lợi thế rõ rệt hơn so với nông dân ở phía ngược gió và thật sự cần phải lập kế hoạch cẩn thận hơn. Việc phát hiện ra có quá nhiều gió di chuyển trong một khu vực nhất định đang thúc đẩy công việc tại GE Research – nơi kỹ sư cơ khí hàng đầu Lawrence Cheung đang khai thác sức mạnh của các siêu máy tính hiện đại để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của gió trong thế giới thực. Những kiến thức như vậy ngày càng có giá trị đối với các quốc gia và các nhà sản xuất năng lượng đang tìm cách sắp xếp các nguồn năng lượng tái tạo một cách tối ưu nhất.
Công trình mới nhất của Cheung có thể mô hình hóa luồng không khí thổi qua trang trại gió rộng 5.000 mẫu Anh (hoặc hơn 3.780 sân bóng đá). Được gọi là mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán, các mô hình siêu máy tính của ông đã chia nhỏ các trang trại gió thành hàng trăm triệu mét khối riêng lẻ để hiểu cặn kẽ. Mục tiêu của ông không phải là loại bỏ vấn đề hiệu ứng Wake (gió chậm lại khi đi qua tuabin gây giảm năng suất) mà là để hiểu tác động chính xác của khối khí chậm hơn sau khi nó đi qua tuabin ở các trang trại gió khác nhau. Bằng cách đó, chi phí giảm thiểu hiệu ứng Wake có thể rẻ hơn so với chi phí xây dựng các trang trại với các tuabin cách nhau xa hơn. Khi cùng nhau phối hợp phát triển năng lượng gió, mọi người đều có lợi.
NỖ LỰC CẢI THIỆN THIẾT KẾ VÀ HIỆU SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC
Michal Osusky, trưởng dự án của nhóm Nhiệt học và nhóm Tính toán động lực học chất lưu (CFD) nổi tiếng thế giới của GE Research đang sử dụng siêu máy tính để tìm ra những cách mới nhằm cải thiện thiết kế và hiệu suất của động cơ phản lực và máy phát điện tua bin. Nguồn ảnh: GE Research.
Nhiệt độ khi hoạt động của các tuabin động cơ, bao gồm cả những tuabin trong động cơ máy bay có thể cao hơn cả nhiệt độ nóng chảy của các bộ phận của tuabin – nhưng các bộ phận đó lại không bị nóng chảy. Nghe có vẻ nghịch lý, nhưng đó là công việc thường ngày của các kỹ sư tại GE Research, những người nghiên cứu sâu về cách nhiệt truyền qua các tuabin động cơ. Bởi đây là điểm then chốt dẫn đến một thách thức lớn hơn: với vai trò trung tâm của tuabin trong động cơ máy bay và sản xuất điện, ngay cả những tinh chỉnh nhỏ trong thiết kế cũng có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và nâng mức độ hiệu quả. Kỹ sư Rick Arthur của GE Research cho biết một phần của công việc đó là chạy các mô hình giả lập bằng máy tính: “Giống như các nhà sinh vật học sử dụng kính hiển vi hay các nhà thiên văn học sử dụng kính thiên văn, những mô hình giả lập có độ chính xác cao cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy những gì họ vốn không thể thấy”. Độ chính xác sẽ còn cao hơn nữa vì GE Research đã được cấp phép sử dụng một trong những siêu máy tính nhanh nhất thế giới.
Đây sẽ là thiết bị tối tân nhất được đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Siêu máy tính sẽ cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các mô phỏng thực tế những luồng nhiệt hỗn loạn chạy qua các động cơ rõ ràng hơn so với các mô hình tuabin trên máy tính đời cũ hơn. “Nó mở ra một lĩnh vực được dự đoán hoàn toàn mới mà lẽ ra chúng tôi không bao giờ có thể làm được” – Michal Osusky, một kỹ sư hàng đầu về nhiệt học tại GE Research cho biết. “Vấn đề không nằm ở phương pháp luận. Quan trọng là phải có đủ tài nguyên máy tính”.