Nhà máy điện thẩm thấu đầu tiên của Nhật Bản tại Fukuoka: Kỷ nguyên mới cho năng lượng tái tạo

Nhà máy điện thẩm thấu đầu tiên của Nhật Bản: Khai thác năng lượng từ độ mặn

Trong một dấu mốc quan trọng của năng lượng tái tạo, Nhật Bản đã đưa vào hoạt động nhà máy điện thẩm thấu đầu tiên tại tỉnh Fukuoka. Cơ sở tiên tiến này do Cơ quan Cấp nước khu vực Fukuoka vận hành, bắt đầu hoạt động vào đầu tháng 8 năm 2025, đưa Nhật Bản trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới ứng dụng công nghệ này ở quy mô thực tiễn, sau bước đi tiên phong của Đan Mạch vào năm 2023. Việc nhà máy đi vào hoạt động được xem là bước tiến đáng kể trong nỗ lực đa dạng hóa danh mục năng lượng sạch toàn cầu và ứng phó với những thách thức về biến đổi khí hậu, an ninh năng lượng.

Điện thẩm thấu, còn gọi là năng lượng từ chênh lệch độ mặn, tạo ra điện bằng cách khai thác sự khác biệt tự nhiên về nồng độ muối giữa nước biển và nước ngọt. Nhà máy Fukuoka được thiết kế để sản xuất 880.000 kilowatt giờ (kWh) điện mỗi năm, đủ cung cấp cho khoảng 300 hộ gia đình. Nguồn điện này chủ yếu phục vụ một cơ sở khử muối tại địa phương, bảo đảm nguồn nước ngọt ổn định cho thành phố Fukuoka và các khu vực lân cận.

Điện thẩm thấu hoạt động như thế nào?

Phát điện thẩm thấu dựa trên nguyên lý thẩm thấu, một quá trình tự nhiên trong đó nước di chuyển qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ chất tan thấp (nước ngọt) sang nơi có nồng độ chất tan cao (nước biển). Tại nhà máy Fukuoka, nước đã qua xử lý từ một cơ sở xử lý nước thải và nước biển cô đặc được ngăn cách bởi một loại màng đặc biệt, chỉ cho các phân tử nước đi qua, đồng thời giữ lại tạp chất và muối.

Khi nước ngọt đi qua màng sang phía nước biển mặn hơn, một mức chênh lệch áp suất được tạo ra. Áp suất này được khai thác để làm quay tuabin, từ đó vận hành máy phát điện. Quá trình hoàn toàn dựa trên cơ chế vật lý, không sử dụng quá trình đốt cháy hay phản ứng hóa học, nên không phát thải.

Đặc điểm chính của nhà máy Fukuoka

• Phát điện ổn định: Khác với năng lượng mặt trời hay gió, điện thẩm thấu không phụ thuộc vào thời tiết hoặc thời điểm trong ngày, nhờ đó cung cấp sản lượng điện ổn định và có thể dự đoán.
• Không phát thải carbon: Quá trình này không thải carbon dioxide hay các khí nhà kính khác, góp phần thực hiện các mục tiêu khử carbon của Nhật Bản.
• Tích hợp với hạ tầng cấp nước: Nhà máy được đặt cùng khu vực với cơ sở khử muối, tạo nên một hệ thống cộng hưởng giúp tối đa hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Vì sao là Fukuoka? Bối cảnh địa phương và toàn cầu

Fukuoka, nằm ở bờ biển phía tây nam Nhật Bản, là địa điểm lý tưởng để phát điện thẩm thấu nhờ vị trí gần cả nước biển lẫn nguồn nước ngọt đã qua xử lý dồi dào. Hạ tầng cấp nước hiện có trong khu vực, bao gồm các cơ sở xử lý nước thải tiên tiến và khử muối, tạo nền tảng vững chắc để tích hợp công nghệ mới này.

Cơ quan Cấp nước khu vực Fukuoka đã đầu tư khoảng 700 triệu yen để xây dựng nhà máy, thể hiện cam kết của địa phương cũng như sự quan tâm của cả nước đối với việc thúc đẩy các giải pháp năng lượng tái tạo. Việc dự án đi vào hoạt động thành công đưa Nhật Bản trở thành nước đi đầu trong ứng dụng thực tiễn năng lượng từ chênh lệch độ mặn, đồng thời có thể truyền cảm hứng cho những dự án tương tự trên toàn thế giới.

Khoa học đằng sau năng lượng từ chênh lệch độ mặn

Ý tưởng tạo ra năng lượng từ sự hòa trộn giữa nước ngọt và nước biển đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ. Hai công nghệ nổi bật nhất trong lĩnh vực này là thẩm thấu ngược áp suất (PRO) và điện thẩm tách ngược (RED). Nhà máy Fukuoka sử dụng phương pháp PRO, đặc biệt phù hợp với những địa điểm có sẵn lượng lớn nước ngọt và nước biển ở gần nhau.

Thẩm thấu ngược áp suất (PRO)

Trong phương pháp PRO, một màng bán thấm ngăn cách nước ngọt và nước biển. Khi nước di chuyển từ phía nước ngọt sang phía nước mặn, áp suất ở phía nước mặn tăng lên. Áp suất này sau đó được dùng để vận hành tuabin và phát điện. Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào một số yếu tố:

• Hiệu năng màng: Màng phải cho nước đi qua nhưng giữ lại muối và tạp chất. Những tiến bộ trong công nghệ màng có vai trò then chốt giúp PRO có thể được triển khai ở quy mô lớn.
• Chênh lệch áp suất thẩm thấu: Chênh lệch nồng độ muối càng lớn thì tiềm năng năng lượng có thể khai thác càng cao.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn có thể làm tăng lưu lượng nước và mật độ công suất, như các nghiên cứu khoa học về hệ thống PRO vòng kín đã chỉ ra.

Theo nghiên cứu được công bố trên ScienceDirect, mật độ công suất vượt 20 W/m² đã đạt được trong điều kiện tối ưu; những cải tiến đang diễn ra về vật liệu màng và thiết kế hệ thống được kỳ vọng sẽ tiếp tục nâng cao hiệu suất.

Từ ý tưởng đến hiện thực: Vượt qua thách thức kỹ thuật và kinh tế

Dù ý tưởng về điện thẩm thấu không mới, việc triển khai trên thực tế từng gặp nhiều trở ngại. Các thử nghiệm ban đầu bị hạn chế bởi tình trạng màng bị bám bẩn, mật độ công suất thấp và chi phí vật liệu cao. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây đã giải quyết được nhiều vấn đề trong số đó:

• Màng cải tiến: Màng hiện đại có tính chọn lọc cao hơn, bền hơn và chống bám bẩn tốt hơn, giúp kéo dài tuổi thọ vận hành và nâng cao hiệu suất.
• Tích hợp hệ thống: Bằng cách tích hợp nhà máy điện thẩm thấu với các cơ sở xử lý nước và khử muối hiện có, đơn vị vận hành có thể tận dụng hạ tầng sẵn có và giảm chi phí.
• Hiệu quả kinh tế: Sản lượng dự kiến 880.000 kWh mỗi năm của nhà máy Fukuoka cho thấy điện thẩm thấu có thể đóng góp đáng kể vào nhu cầu năng lượng địa phương, nhất là khi kết hợp với hoạt động cấp nước.

Dù đã đạt được những tiến bộ này, điện thẩm thấu vẫn đang ở giai đoạn đầu của quá trình thương mại hóa. Việc mở rộng lên các cơ sở lớn hơn và kết nối với lưới điện quốc gia sẽ cần đầu tư, nghiên cứu và hỗ trợ chính sách liên tục.

Ý nghĩa toàn cầu: Năng lượng tái tạo và khả năng chống chịu trước biến đổi khí hậu

Nhà máy điện thẩm thấu Fukuoka đi vào hoạt động trong bối cảnh thế giới đang vật lộn với hai thách thức song hành là biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng. Các nguồn điện truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và năng lượng hạt nhân ngày càng bị xem xét kỹ lưỡng do tác động môi trường và tính dễ tổn thương trước các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Chẳng hạn, các đợt nắng nóng gần đây ở châu Âu đã phơi bày những hạn chế của nhà máy nhiệt điện, vốn thường dựa vào nước sông để làm mát. Nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu suất, thậm chí buộc nhà máy phải ngừng hoạt động, như đã xảy ra ở Pháp vào mùa hè năm 2025. Các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời và gió cũng có sản lượng biến động theo điều kiện thời tiết.

Điện thẩm thấu có một lợi thế riêng: đây là nguồn điện ổn định, không phụ thuộc thời tiết và có thể bổ trợ cho các nguồn năng lượng tái tạo khác. Bằng cách khai thác năng lượng tự nhiên từ sự hòa trộn giữa nước ngọt và nước biển, các quốc gia có điều kiện địa lý phù hợp có thể tăng cường khả năng chống chịu về năng lượng và giảm phụ thuộc vào các nguồn phát thải carbon cao.

Góc nhìn chuyên gia và triển vọng tương lai

Akihiko Tanioka, chuyên gia hàng đầu về điện thẩm thấu và giáo sư danh dự tại Viện Khoa học Tokyo, bày tỏ lạc quan về tiềm năng toàn cầu của công nghệ này. Ông nói:

Tôi vô cùng xúc động khi chúng ta đã có thể đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế. Tôi hy vọng nó sẽ được phổ biến không chỉ ở Nhật Bản mà trên khắp thế giới.

Quan điểm này cũng được các kỹ sư và nhà hoạch định chính sách chia sẻ. Họ xem điện thẩm thấu là một nguồn bổ sung đầy hứa hẹn cho cơ cấu năng lượng tái tạo. Khả năng vận hành liên tục, bất kể thời tiết hay ánh sáng ban ngày, khiến công nghệ này đặc biệt hấp dẫn đối với những khu vực có nguồn nước dồi dào và nhu cầu năng lượng cao.

Trên bình diện quốc tế, việc Đan Mạch triển khai thành công điện thẩm thấu vào năm 2023 đã chứng minh tính khả thi của công nghệ này, còn việc Nhật Bản tham gia lĩnh vực này cho thấy đà phát triển đang mạnh lên. Khi ngày càng nhiều quốc gia đầu tư vào nghiên cứu và các dự án thí điểm, chi phí và hiệu suất của điện thẩm thấu được kỳ vọng sẽ cải thiện, mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi hơn.

Điện thẩm thấu và mối liên hệ tuần hoàn giữa nước với năng lượng

Việc tích hợp điện thẩm thấu với các cơ sở xử lý nước và khử muối là minh chứng cho khái niệm đang hình thành về mối liên hệ giữa nước và năng lượng. Theo một bài tổng quan trên Nature, các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) có tiềm năng trở thành đơn vị sản xuất năng lượng ròng khi áp dụng các công nghệ như phân hủy kỵ khí, thu hồi năng lượng từ chênh lệch độ mặn và pin nhiên liệu.

Bằng cách thu hồi năng lượng từ nước thải đã qua xử lý và tối đa hóa sản lượng năng lượng tái tạo tại chỗ, các nhà máy xử lý nước thải có thể giảm lượng phát thải carbon và đóng góp vào nền kinh tế tuần hoàn. Việc nhà máy Fukuoka sử dụng nước thải đã xử lý làm nguồn cấp cho quá trình phát điện thẩm thấu là một ví dụ thực tiễn của cách tiếp cận này, biến dòng chất thải thành nguồn tài nguyên năng lượng có giá trị.

Thách thức và chặng đường phía trước

Dù có nhiều triển vọng, điện thẩm thấu vẫn đối mặt với một số thách thức cần giải quyết để được ứng dụng rộng rãi:

• Hạn chế về địa lý: Công nghệ này cần lượng lớn nước ngọt và nước biển, nên chỉ phù hợp với các khu vực ven biển có hạ tầng thích hợp.
• Chi phí và độ bền của màng: Màng hiệu suất cao vẫn tương đối đắt, còn độ bền lâu dài trong điều kiện thực tế vẫn là lĩnh vực đang được tích cực nghiên cứu.
• Quy mô và tích hợp: Mở rộng từ nhà máy thí điểm lên cơ sở quy mô công nghiệp sẽ đòi hỏi đầu tư đáng kể và tích hợp cẩn trọng với các hệ thống năng lượng, cấp nước hiện có.
• Hỗ trợ chính sách và thị trường: Các ưu đãi của chính phủ, nguồn tài trợ nghiên cứu và khuôn khổ pháp lý hỗ trợ sẽ đóng vai trò thiết yếu trong việc thúc đẩy đổi mới và thương mại hóa.

Tuy vậy, hoạt động thành công của nhà máy Fukuoka cho thấy những thách thức này không phải không thể vượt qua. Sự hợp tác liên tục giữa giới nghiên cứu, doanh nghiệp và chính phủ sẽ là yếu tố then chốt để khai mở toàn bộ tiềm năng của điện thẩm thấu.

Tóm lược

• Nhà máy điện thẩm thấu đầu tiên của Nhật Bản bắt đầu hoạt động tại Fukuoka vào tháng 8 năm 2025, đưa nước này trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới vận hành công nghệ này, sau Đan Mạch.
• Nhà máy tạo ra điện bằng cách khai thác chênh lệch nồng độ muối giữa nước biển và nước ngọt, sản xuất 880.000 kWh mỗi năm để phục vụ hạ tầng cấp nước địa phương.
• Điện thẩm thấu là nguồn năng lượng tái tạo ổn định, không phát thải và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hay thời điểm trong ngày.
• Những tiến bộ về công nghệ màng và tích hợp hệ thống đã giúp công nghệ này có thể được triển khai trên thực tế, dù vẫn còn thách thức về mở rộng quy mô và giảm chi phí.
• Nhà máy Fukuoka là ví dụ tiêu biểu về mối liên hệ tuần hoàn giữa nước và năng lượng, biến nước thải đã qua xử lý thành nguồn năng lượng sạch.
• Các chuyên gia cho rằng điện thẩm thấu có thể đóng vai trò đáng kể trong nỗ lực khử carbon toàn cầu, nhất là tại những khu vực có nguồn nước dồi dào.