In 3D trụ tháp tuabin gió từ bê tông công nghệ cao

Khi lái xe dọc sườn đông bang New York, bạn chắc chắn sẽ nhìn thấy rừng tuabin gió mọc dần lên trong thập kỷ qua, mấp mô trên những cánh đồng và rặng núi xa xôi hẻo lánh. Tương tự như những khu vực khác trên thế giới, các tuabin gió này đại diện cho xu hướng tăng cường phát triển năng lượng tái tạo tại Hoa Kỳ. Tuy nhiên, câu chuyện phong điện tại bang này không chỉ dừng lại ở những cánh quạt to đón gió lớn từ hồ Ontario mà còn bay xa hơn thế.

Phá bỏ giới hạn

Bên trong một nhà kho rộng lớn tại Bergen - ngôi làng ở ngay phía Nam vùng Rochester - là nơi các kỹ sư của GE Renewable Energy cùng cộng sự đang nghiên cứu và phát triển những công trình mới để giúp ngành điện tái tạo có thể gặt hái nhiều gió hơn nữa trong tương lai.

Bên trong nhà kho, khoảng 20 công nhân đang sử dụng một trong những máy in 3D lớn nhất thế giới để sản xuất bệ tháp tuabin gió từ bê tông công nghệ cao. Thành công của họ có thể giúp ngành phong điện tháo gỡ những nút thắt hiện đang hạn chế kích thước và công suất của các tuabin gió trên bờ, đồng thời hướng tới các thiết kế trang trại gió hiệu quả hơn.

Christopher Kenny - Giám đốc kỹ thuật cấp cao về các công nghệ mới nổi tại GE Renewable Energy đồng thời là quản lý cơ sở này, nói rằng ngành điện gió đã phát triển vượt bậc trong những thập kỷ gần đây nhưng vẫn còn tồn tại những giới hạn về mặt vật lý, làm hạn chế công suất của các tuabin gió trên bờ. “Máy phát điện quy mô lớn hơn cần tới các cột tháp cao hơn, chắc chắn hơn và to hơn” - ông cho hay. “Nếu chúng ta cứ đứng yên, ngành công nghiệp này sẽ gặp trở ngại”.

Thông thường, để xây dựng tháp tuabin gió, công nhân phải chở các ống thép tiền chế bằng xe tải đến trang trại gió rồi hàn các cột thép lại với nhau. Nhưng chỉ có những ai đã từng cố gắng chuyển một món đồ nội thất vào một khu chung cư không có thang máy ở thành phố New York mới hiểu được rằng có những giới hạn không thể vượt qua. Với tháp tuabin gió, giới hạn đó chính là đường kính khoảng 4,27 m. Nếu chế tạo cột tháp có đường kính lớn hơn giới hạn này, ta sẽ không thể vận chuyển chúng trên bất kỳ tuyến đường nào. “Trở ngại này có thật, nhưng vẫn có cách để giải quyết” - Kenny cho biết.

Và giải pháp chính là in 3D, hay còn có tên khác là sản xuất đắp lớp. Bằng cách in 3D trụ tháp từ bê tông ngay tại điểm xây dựng trang trại gió, công nhân sẽ có thể tạo ra những trụ tháp có đường kính to hơn, đủ chắc chắn để đỡ được những tuabin gió lớn hơn và có công suất khỏe hơn. Không chỉ thế, phương pháp này còn có thể giúp người ta có thêm nhiều lựa chọn khi tìm kiếm địa điểm mới cho trang trại gió.

Máy in mà Kenny và đồng nghiệp đang thử nghiệm tại Bergen bao gồm các khung giàn giáo và thanh dầm dài được nối vuông góc giống như một sân khấu biểu diễn âm nhạc. Động cơ điện gắn trên các thanh dầm có thể di chuyển vòi in theo ba hướng và cho phép máy tạo ra những cấu trúc bê tông cao tới 20m.

Theo Kenny, gắn cột thép tiền chế vào một trụ bê tông dày 20 mét có thể giúp những nhà thiết kế trang trại gió dựng được những tuabin với cột tháp cao tới 140m. Tuabin càng cao và mạnh, sản lượng điện hàng năm (AEP) của trang trại điện gió càng tăng. Chỉ số quan trọng này đại diện cho hiệu suất của tuabin gió. Nó thể hiện sản lượng điện thực tế một tuabin sản xuất ra mỗi năm và phụ thuộc vào thiết kế tuabin, tốc độ gió tại địa điểm cụ thể và số ngày có gió. “Chiều cao cột tháp có ý nghĩa cực kỳ quan trọng với chỉ số AEP, nhưng hiện nay, thông số này chưa được tối ưu hóa hết mức” - Kenny cũng chia sẻ thêm rằng càng lên cao thì gió thổi càng mạnh và ổn định hơn.

Vì trụ bê tông in 3D có chiều cao linh hoạt, phương pháp sản xuất này có thể cho phép tối ưu chiều cao tuabin theo địa hình khu vực. “Khi suy tính về những trang trại gió quy mô lớn trải dài trên những vùng có địa hình và lượng gió thay đổi, chúng tôi thường bị hạn chế về việc làm thế nào để điều chỉnh chiều cao của tuabin sao cho tối ưu bố cục của trang trại” - người đứng đầu nghiên cứu trăn trở.

Đổi mới sáng tạo là động lực thúc đẩy chuyển đổi năng lượng

Dự án này đã nhận được khoản trợ cấp 5 triệu USD từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, càng nhấn mạnh hơn nữa tầm quan trọng của nó. “Chúng tôi đánh giá cao sự hỗ trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho nghiên cứu đang thực hiện tại đây và chúng tôi tự tin rằng nó sẽ giúp tăng hiệu suất, hiệu quả kinh tế và tính trách nhiệm với môi trường cho các trang trại điện gió trong tương lai” - Danielle Merfeld, giám đốc công nghệ của GE Renewable Energy bày tỏ. Cũng theo bà, “đổi mới sáng tạo sẽ tiếp tục là động lực chính thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng”.

Gần đây, cơ sở nghiên cứu này đã tổ chức một sự kiện tham quan. Danh sách khách mời bao gồm Matteo Bellucci, trưởng nhóm công nghệ sản xuất tiên tiến tại GE Renewable Energy; Henrik Lund-Nielsen, người sáng lập và tổng giám đốc của COBOD - một công ty Đan Mạch chuyên thiết kế máy in 3D; Edelio Bermejo, giám đốc bộ phận R&D, đổi mới và sở hữu trí tuệ toàn cầu tại Holcim - đối tác đang giúp GE phát triển bê tông công nghệ cao cho sản xuất đắp lớp; đại diện của Optimation - một công ty kỹ thuật có trụ sở tại New York đang hỗ trợ phát triển và tiêu chuẩn hóa quy trình in.

Trên thực tế, GE đã nghiên cứu in 3D cột tháp tuabin gió trong vài năm qua. Cùng với COBOD và Holcim, hãng đã thử nghiệm in cột bê tông tại Đan Mạch vào năm 2020.

Là người tham dự buổi in thử nghiệm đầu tiên ở Đan Mạch, Kenny cho biết trong hai năm vừa qua, GE đã hợp tác cùng COBOD cải tiến thiết kế máy in, đồng thời cộng tác với Holcim để phát triển các thành phần vật liệu mới cho bê tông. Ví dụ, tại Bergen, GE đã sử dụng đá và cát địa phương để tạo ra một quy trình cho phép tùy biến công thức bê tông theo từng địa điểm. “Thay vì chở đá từ nơi khác đến, việc sử dụng các vật liệu địa phương giúp tiết kiệm chi phí đồng thời thân thiện với môi trường hơn” - Kenny nói.

Quá trình hợp tác này cũng đã giúp xác định và xây dựng những bộ phận cốt lõi để tiến hành các thao tác in 3D di động, bao gồm máy in cỡ lớn, trạm trộn bê tông trên xe đầu kéo, bồn chứa xi măng di động, và một dây chuyền để uốn tròn thanh cốt thép cho khối bê tông làm trụ đỡ cho trụ tháp. “Tất cả công cụ và thiết bị mà chúng tôi đang phát triển để hỗ trợ cho quá trình này sẽ nằm gọn bên trong các khoang có thể di động đến nhiều địa điểm khác nhau. Hiện nay, chúng tôi đang thử nghiệm nguyên mẫu ngay tại đây” - giám đốc dự án chia sẻ.

Tuy vậy, đừng để bị đánh lừa rằng vật liệu xây dựng chính ở đây là bê tông. Bởi trên thực tế, đây là một dự án công nghệ cao. Cụ thể, trạm trộn bê tông di động được trang bị nhiều cảm biến để cân cát, đá, xi măng; đo độ ẩm của vật liệu; giám sát lực trộn, lưu biến - dòng chảy của hỗn hợp vật liệu in và các yếu tố khác cho từng lần trộn. Đơn vị vận hành phụ trách giám sát và điều chỉnh các thông số này qua một máy tính bên trong buồng kính đặt ở giữa xe đầu kéo chở trạm trộn. “Một khi chúng tôi trộn các vật liệu và tạo ra bê tông, chúng tôi chỉ cần thời gian để in đắp lớp.” - Kenny chia sẻ. “Dựa trên việc kết hợp thử nghiệm, dựng mô hình và mô phỏng trên máy tính, bê tông được thiết kế để gia tăng cường độ ở một tỷ lệ nhất định nhằm trụ đỡ được các lớp bên trên và trọng lượng cốt thép. Điều này cho phép chúng tôi xây dựng cấu trúc mong muốn trong khung thời gian mục tiêu”.

Toàn bộ hệ thống được thiết kế để vận hành như sau: Trạm di động sẽ trộn xi măng từ bể chứa với đá, cát và nước, sau đó chuyển bê tông thành phẩm vào máy in. Máy in sẽ phun và tạo hình các lớp bê tông theo hình dạng mong muốn qua một vòi phun đặc biệt. Mỗi lớp dày khoảng vài cm. Tương tự như ở trạm trộn, quy trình này được giám sát bằng các cảm biến và camera.

Có nhiều thách thức kỹ thuật mà nhóm nghiên cứu cần giải quyết. Đơn cử, hỗn hợp bê tông phải khô nhanh để lớp tiếp theo không bị biến dạng. Nhưng nếu bê tông khô quá nhanh, máy in có thể bị tắc, dẫn tới hỏng thiết bị. “Phép toán cân bằng này phải thật tinh tế” - Kenny cho hay.

Việc giám sát cũng rất quan trọng cho khâu kiểm soát và kiểm chứng chất lượng. Tất nhiên, chính phủ sẽ phải phê duyệt quy trình trước khi GE có thể chính thức triển khai. “Đó là một phần mục đích lớn của cơ sở nghiên cứu này” - vị giám đốc cơ sở cho biết.

Trong năm 2022, GE sẽ thử nghiệm quy trình in trong nhà và lên kế hoạch bắt đầu in ngoài trời vào năm tiếp theo. Mục tiêu của họ là chứng minh khả năng in trụ tháp ngoài trời với quy mô đầy đủ, hướng tới đích đến cuối cùng là chứng tỏ khả năng tạo ra các trụ tháp tuabin với mức chi phí hợp lý. Để thực hiện các mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm một địa điểm khả thi để lắp đặt một tuabin nguyên mẫu có công suất từ 2-3 MW.

Một số công ty xây dựng đã bắt đầu in 3D nhà cửa, nhưng in 3D trụ tháp tuabin gió yêu cầu ta phải giải quyết những thách thức ở tầm vóc khác. “Các yêu cầu về tải trọng và cấu trúc của chúng tôi cao hơn nhiều so với nhà cửa in 3D ngày nay” - Kenny chia sẻ. “Chúng tôi đang tìm cách tận dụng các cơ hội mà sản xuất đắp lớp mang lại”.