Đảo chiều điểm yếu chí mạng của năng lượng tái tạo
Tấm pin mặt trời ngừng phát điện khi mặt trời lặn. Tua-bin gió ngừng quay khi gió lặng. Ngay cả các đập thủy điện cũng giảm sản lượng trong những đợt hạn hán kéo dài. Suốt nhiều thập kỷ, cuộc cách mạng năng lượng tái tạo đã tìm kiếm một nguồn điện sạch có thể vận hành liên tục, giờ này qua giờ khác, mà không cần xem dự báo thời tiết. Tháng 8/2025, một cơ sở nhỏ ở bờ biển phía nam Nhật Bản bắt đầu làm được điều đó, tạo ra điện từ chênh lệch hóa học giữa nước ngọt và nước mặn. Nhà máy nằm trong Trung tâm Khử mặn nước biển Uminonakamichi Nata ở Fukuoka, là cơ sở điện thẩm thấu đầu tiên đi vào hoạt động tại châu Á. Đây mới là nhà máy thương mại vận hành liên tục thứ hai thuộc loại này trên thế giới, sau cơ sở ở Đan Mạch khai trương năm 2023. Với một quốc gia nhập khẩu phần lớn nhiên liệu hóa thạch và chịu sức ép ngày càng lớn phải khử carbon, việc đưa nhà máy vào vận hành có ý nghĩa vượt xa một thử nghiệm địa phương. Đây là phép thử thực tế xem liệu các đại dương bao quanh Nhật Bản có thể trở thành nguồn điện nền ổn định, sạch hay không.
Nội dung
Cơ sở này, còn có tên Mamizupia, chính thức đi vào hoạt động sau lễ khai trương ngày 5/8/2025. Khác với các nhà máy điện thông thường, cơ sở không đốt nhiên liệu và không thải carbon dioxide. Ngoài một tua-bin, nhà máy hầu như không có bộ phận chuyển động. Quan trọng nhất, hoạt động của nhà máy không phụ thuộc vào ánh nắng, tốc độ gió hay lượng mưa theo mùa. Nhà máy vận hành theo nguyên lý gọi là thẩm thấu ngược áp suất, thường được viết tắt là PRO, khai thác năng lượng hữu ích từ xu hướng tự nhiên của nước muốn cân bằng nồng độ muối. Bằng cách kết hợp hai dòng thải mà thành phố vốn đã tạo ra, gồm nước muối cô đặc từ quá trình khử mặn và nước thải đã xử lý từ cơ sở xử lý nước thải, hệ thống sản xuất khoảng 880000 kilowatt giờ điện mỗi năm. Sản lượng này đủ đáp ứng một phần đáng kể nhu cầu điện của trung tâm khử mặn, đồng thời tương đương mức tiêu thụ của 220 đến 300 hộ gia đình Nhật Bản trung bình. Đơn vị vận hành cho biết tỷ lệ sử dụng công suất đạt gần 90%, mức ổn định mà các cơ sở điện mặt trời và điện gió chỉ có thể đạt được nếu đầu tư hệ thống pin lưu trữ đắt đỏ.
Nguyên lý vật lý thầm lặng đằng sau năng lượng xanh từ biển
Để hiểu nhà máy ở Fukuoka hoạt động thế nào, có thể bắt đầu từ một quá trình sinh học cơ bản. Thẩm thấu cũng là lực giúp rễ cây hút nước từ đất và ngăn tế bào người bị xẹp khi nằm trong môi trường chất lỏng. Khi hai dung dịch có nồng độ muối khác nhau nằm ở hai phía của một màng bán thấm, các phân tử nước tự nhiên di chuyển từ phía ít muối sang phía mặn hơn nhằm cân bằng nồng độ. Các ion muối quá lớn nên không thể đi qua màng, vì vậy chỉ có nước di chuyển. Trong một buồng áp suất kín, quá trình này làm tăng cả thể tích lẫn áp suất ở phía nước mặn. Các kỹ sư thu lấy áp suất đó, dẫn qua tua-bin để làm quay máy phát điện. Kết quả là điện được tạo ra chỉ từ chênh lệch hóa học giữa hai khối nước.
Phiên bản đang vận hành ở Fukuoka áp dụng một biến thể gọi là thẩm thấu ngược áp suất. Trong hệ thống PRO tiêu chuẩn dùng nước biển và nước ngọt, quá trình hóa học hoạt động hiệu quả nhất khi chênh lệch áp suất vào khoảng 26 bar, tương đương lực tác động ở đáy cột nước cao 270 mét. Cơ sở ở Fukuoka cải tiến mô hình lý thuyết bằng cách cấp cho phía nước mặn không phải nước biển thông thường, mà là nước muối cô đặc còn lại sau khi quá trình khử mặn tách nước ngọt. Ở phía nước ngọt, nhà máy sử dụng nước thải đã qua xử lý, được dẫn từ một cơ sở xử lý nước thải gần đó. Sandra Kentish, kỹ sư hóa học tại Đại học Melbourne, giải thích rằng cách kết hợp này nới rộng chênh lệch độ mặn, nhờ đó khai thác được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống dùng nước biển thông thường. Tiến sĩ Ali Altaee, chuyên gia về các nguồn nước thay thế tại Đại học Công nghệ Sydney, lưu ý rằng hai dòng nước vốn đã được trộn với nhau trước khi xả thải. Vì vậy, việc đặt một màng và tua-bin ở giữa giúp thu hồi năng lượng mà nếu không sẽ tiêu tán ra biển.
Giải pháp tuần hoàn cho vấn đề ven biển
Fukuoka không phải đô thị mà người ta dễ nghĩ đến khi nói về khủng hoảng nước, nhưng vị trí địa lý buộc khu vực này phải có kế hoạch cẩn trọng. Vùng đô thị lớn hơn phục vụ khoảng 2,6 triệu cư dân nhưng không có các con sông lớn ở gần, khiến lượng mưa trở thành nguồn cung nước uống duy nhất thiếu tin cậy. Từ năm 2005, Trung tâm Khử mặn nước biển Uminonakamichi Nata đã ổn định nguồn nước sinh hoạt địa phương bằng cách chuyển nước biển thành nước ngọt với công suất khoảng 50000 mét khối mỗi ngày. Quá trình này có vai trò thiết yếu, nhưng cũng tạo ra một phụ phẩm khó xử lý. Nước muối cô đặc, thường có hàm lượng muối gần 8%, phải được thải bỏ cẩn thận để tránh gây tổn hại đến hệ sinh thái biển địa phương.
Nhà máy điện thẩm thấu biến dòng thải này thành tài nguyên. Thay vì coi nước muối cô đặc là gánh nặng môi trường cần pha loãng rồi xả bỏ, đơn vị vận hành giờ đây dẫn dòng nước qua các mô-đun màng, đối diện với dòng nước thải đã xử lý. Nước ngọt đi qua màng làm tăng áp suất phía nước muối, vận hành tua-bin, rồi tạo ra nước đã được pha loãng hơn, có thể xả ra với ít tác động sinh thái hơn. Nói cách khác, nhà máy biến hai vấn đề xử lý chất thải thành một dòng năng lượng duy nhất. Điện tạo ra được đưa trở lại trung tâm khử mặn, giúp giảm chi phí vận hành và lượng điện lấy từ lưới điện thông thường. Kenji Hirokawa, người đứng đầu Trung tâm Khử mặn nước biển, mô tả cơ sở này là bước đi đầu tiên khiêm tốn chứ chưa phải một giải pháp hoàn chỉnh. Cách nhìn đó phù hợp với một công nghệ vẫn đang chứng minh hiệu quả ở quy mô thương mại, đồng thời thể hiện tham vọng rộng lớn hơn. Các thành phố ven biển trên thế giới đều đối mặt với hai vấn đề song song: nhu cầu năng lượng tăng và việc xử lý nước muối cô đặc. Mô hình ở Fukuoka cho thấy có thể giải quyết cả hai cùng lúc.
Rút kinh nghiệm từ một thập kỷ khởi đầu không thành
Ý tưởng khai thác điện từ chênh lệch độ mặn không phải mới. Một nhà nghiên cứu Mỹ lần đầu đề xuất khái niệm này vào năm 1976 trên tạp chí Journal of Membrane Science. Trong hơn ba thập kỷ, lý thuyết hầu như không được chú ý cho đến khi công ty năng lượng Na Uy Statkraft bắt đầu xây dựng thiết bị thực tế. Tháng 11/2009, Statkraft khai trương nguyên mẫu PRO đầu tiên tại Tofte, bên vịnh Oslo, với mục tiêu chứng minh điện thẩm thấu có thể cạnh tranh trên thị trường thực tế. Nhà máy được thiết kế với công suất 10 kilowatt nhưng thực tế chỉ phát được 2 đến 4 kilowatt. Đến tháng 1/2014, Statkraft đóng cửa dự án, thông báo hiệu suất màng vẫn quá thấp để có thể thương mại hóa.
Thất bại ở Na Uy trở thành bài học cảnh báo về khoảng cách giữa hóa học trong phòng thí nghiệm và hiệu quả kinh tế công nghiệp. Mật độ công suất của màng trở thành thước đo then chốt. Các nghiên cứu đăng trên tạp chí học thuật cho thấy hệ thống thẩm thấu cần đạt khoảng 5 watt trên mỗi mét vuông màng mới có thể tiến gần đến mức khả thi về tài chính. Cơ sở Tofte chỉ đạt 1 đến 3 watt trên mỗi mét vuông. Màng quá đắt, bị bám bẩn quá nhanh và cho lưu lượng nước quá thấp để bù được năng lượng cần thiết cho việc bơm. Trong thập kỷ tiếp theo, công nghệ này chủ yếu quanh quẩn trong các chương trình thí điểm và bài báo học thuật, trong khi chi phí điện mặt trời và điện gió lao dốc.
Nhà máy Fukuoka tìm cách tránh lặp lại thất bại đó bằng việc chọn địa điểm thông minh hơn, thay vì chờ đợi một đột phá về vật liệu. Vì cơ sở này vốn đã tạo ra nước muối siêu mặn và tiếp nhận nước thải đã xử lý, chênh lệch độ mặn lớn hơn nhiều so với khi kết hợp nước biển và nước ngọt thông thường. Chênh lệch lớn hơn đồng nghĩa công nghệ màng hiện có, dù vẫn chưa hoàn hảo, có thể khai thác đủ năng lượng ròng để nhà máy hoạt động hiệu quả. Akihiko Tanioka, chuyên gia trong lĩnh vực này, ca ngợi cột mốc trên và tiềm năng rộng lớn hơn của công nghệ.
Thành công trong triển khai này là một thành tựu lớn. Tôi hy vọng mô hình sẽ được nhân rộng trên toàn cầu.
Công ty Đan Mạch SaltPower đã chứng minh công nghệ này có thể vận hành với một nhà máy thương mại liên tục ở Mariager từ năm 2023. Cơ sở lớn hơn tại Nhật Bản hiện bổ sung một dữ liệu thực tế ở châu Á, đồng thời cho thấy PRO có thể tích hợp với hạ tầng cấp nước đô thị hiện có.
Sản lượng nhỏ, giá trị ổn định
Xét theo tiêu chuẩn của các lưới điện lớn, nhà máy điện thẩm thấu ở Fukuoka rất nhỏ. Công suất liên tục trung bình khoảng 100 kilowatt, gần như không đáng kể nếu so với hàng trăm megawatt của các trang trại điện gió ngoài khơi hoặc nhà máy điện khí. Chi phí dự án vào khoảng 4.38 triệu đô la cho thấy đây chưa phải nguồn điện giá rẻ. Gần như toàn bộ điện sản xuất ra được dùng để vận hành chính trung tâm khử mặn, nghĩa là cơ sở này hoạt động giống một vòng tuần hoàn thu hồi năng lượng hơn là một nhà máy phát điện độc lập để cung cấp cho các thành phố.
Tuy nhiên, quy mô không phải thước đo duy nhất về ý nghĩa của nhà máy. Những gì cơ sở thiếu về công suất được bù lại bằng khả năng dự đoán. Tỷ lệ sử dụng công suất 90% đồng nghĩa hệ thống vẫn phát điện qua bão, những đêm lặng gió và mùa đông nhiều mây. Hai sân bóng đá phủ pin mặt trời có thể đạt sản lượng hằng năm tương đương trên lý thuyết, nhưng mây, bóng đêm và góc chiếu nắng theo mùa khiến sản lượng thực tế biến động. Đơn vị vận hành lưới điện phải cân bằng những biến động đó bằng nguồn dự phòng đang hoạt động hoặc hệ thống pin lưu trữ. Ngược lại, điện thẩm thấu có đường cong sản lượng phẳng, giúp các công ty điện lực lên lịch cung ứng với độ tin cậy cao.
Cấu hình này cũng có lý về mặt kinh tế trong bối cảnh cụ thể. Một nghiên cứu năm 2024 trên tạp chí Chemical Engineering Science mô tả các cải tiến màng mới có thể thúc đẩy sản xuất điện bền vững từ chênh lệch độ mặn, trong khi một phân tích kinh tế kỹ thuật về PRO đăng trên Frontiers in Energy Research xác nhận rằng tích hợp PRO với các nhà máy khử mặn là một trong những hướng đi khả thi nhất về thương mại của công nghệ này. Lý do rất đơn giản: dòng nước muối cô đặc vốn đã được tạo ra mà không phát sinh thêm chi phí, còn dòng nước thải vốn đã chảy sẵn. Nhà máy không cần mua nhiên liệu hay xây đường ống xuyên qua vùng hoang dã. Cơ sở chỉ cần được lắp vào chu trình sử dụng nước hiện hữu.
Cuộc đua toàn cầu tìm màng tốt hơn
Dù triển vọng quanh cơ sở Fukuoka rất đáng khích lệ, ngành điện thẩm thấu vẫn đối mặt với thách thức về vật liệu. Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế ước tính tiềm năng kỹ thuật toàn cầu của điện từ chênh lệch độ mặn có thể đạt 647 gigawatt và 5177 terawatt giờ mỗi năm, dù các giới hạn địa lý và kỹ thuật sẽ khiến con số thực tế thấp hơn nhiều. Để biến tiềm năng đó thành hiện thực, màng cần rẻ hơn, bền hơn và ít bị bám bẩn hơn. IRENA xác định chi phí màng là một rào cản lớn, còn các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm kiếm vật liệu cho phép nước chảy nhanh hơn mà vẫn chống được sự tích tụ chất hữu cơ và khoáng chất.
Nhật Bản có động lực thương mại để đi đầu trong nghiên cứu này. Theo chính phủ Nhật Bản, các công ty trong nước hiện nắm khoảng 60% thị trường màng khử mặn toàn cầu. Những tiến bộ về màng dùng trong điện thẩm thấu có thể củng cố lợi thế công nghiệp đó, đồng thời mở ra các thị trường xuất khẩu. Kyowakiden Industry, công ty kỹ thuật cung cấp màng và cụm tua-bin cho nhà máy Fukuoka, cho biết họ đặt mục tiêu xây dựng các cơ sở lớn gấp năm đến mười lần nếu dự án thí điểm vận hành tốt trong giai đoạn thử nghiệm kéo dài nhiều năm. Khách hàng tiềm năng rõ nhất là các khu vực vốn phụ thuộc vào khử mặn, đặc biệt là Trung Đông, nơi một nhà máy riêng lẻ có thể sản xuất hơn 900000 mét khối nước ngọt mỗi ngày.
Các dự án thí điểm tiếp tục xuất hiện trên khắp thế giới. Nguyên mẫu và mô hình trình diễn đã được triển khai ở Na Uy, Hàn Quốc, Australia, Tây Ban Nha và Qatar. Tiến sĩ Altaee cho biết Đại học Công nghệ Sydney duy trì một nguyên mẫu riêng, có thể khởi động lại nếu được chính phủ cấp kinh phí, sử dụng các hồ muối ở bang New South Wales làm nguồn tài nguyên. Nhà máy Fukuoka không cần có quy mô khổng lồ để tạo ảnh hưởng. Điều cần thiết là chứng minh màng, máy bơm và hiệu quả kinh tế có thể duy trì hoạt động liên tục đủ lâu để thu hút đầu tư lớn hơn. Nếu làm được, các thành phố ven biển có hạ tầng khử mặn có thể phát hiện mình đang sở hữu một nguồn điện nền sạch ngoài dự kiến.
Những điều cần biết
- Nhà máy điện thẩm thấu đầu tiên của Nhật Bản bắt đầu hoạt động ngày 5/8/2025 tại Trung tâm Khử mặn nước biển Uminonakamichi Nata ở Fukuoka, trở thành cơ sở đầu tiên thuộc loại này ở châu Á và là nhà máy thương mại vận hành liên tục thứ hai trên thế giới, sau một cơ sở ở Đan Mạch khai trương năm 2023.
- Nhà máy sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược áp suất để sản xuất khoảng 880000 kilowatt giờ điện mỗi năm, khai thác chênh lệch độ mặn giữa nước muối cô đặc từ quá trình khử mặn và nước thải đã xử lý.
- Với tỷ lệ sử dụng công suất gần 90%, cơ sở sản xuất điện liên tục bất kể thời tiết hay thời điểm trong ngày, đem lại độ tin cậy mà điện mặt trời và điện gió không thể đạt được nếu thiếu hệ thống lưu trữ.
- Dự án tái sử dụng hai dòng chất thải hiện có, giảm tác động môi trường từ việc xả nước muối cô đặc và bù đắp một phần điện năng tiêu thụ của nhà máy khử mặn.
- Công nghệ màng vẫn là thách thức chính; các nỗ lực trước đây, trong đó có nguyên mẫu ở Na Uy bị bỏ dở năm 2014, thất bại vì hiệu suất màng quá thấp so với chi phí.
- Các công ty Nhật Bản kiểm soát khoảng 60% thị trường màng khử mặn toàn cầu, đem lại cho nước này cả động lực công nghiệp lẫn chuyên môn kỹ thuật để thúc đẩy mở rộng quy mô điện thẩm thấu.
- Nếu dự án thí điểm thành công, các kỹ sư đặt mục tiêu xây dựng cơ sở lớn gấp năm đến mười lần, trong đó những khu vực khử mặn quy mô lớn như Trung Đông là thị trường mở rộng tiềm năng nhất.
