Từ đầu thế kỷ 21, điện phát bằng sức gió đã phát triển rất nhanh,

 tuy hiện nay mới chỉ vào khoảng 2% điện lực của tất cả nhà máy điện các loại khác, nhưng dự tính đến năm 2020 sẽ cung cấp được 20% nhu cầu tiêu thụ trên thế giới và có thể gần 100% ở một số quốc gia.

 
Một trại gió ở Anh. (Hình Jeff J Mitchell , Getty Images)

 Ưu điểm của điện gió - hay phong điện, gọi tên theo kiểu thủy điện phát bằng sức nước và nhiệt điện dùng chất đốt - là được sản xuất bằng năng lượng sạch không gây ô nhiễm hoặc tác động đến môi trường và tái tạo bất tận.

Gió là sự chuyển động giữa các khối không khí có nhiệt độ và áp suất khác nhau do tác động của ánh nắng mặt trời. Như thế gió là một dạng của năng lượng mặt trời nhưng có thể sử dụng dễ dàng, thường xuyên và rẻ tiền hơn. Các tấm thu năng lượng mặt trời rất đắt tiền và chỉ hoạt động được vào ban ngày.

Ðộng năng của gió có thể chuyển thành cơ năng như trong cối xay gió (wind mill) hay điện năng bằng turbin-gió (wind turbine). Mỗi cơ sở phát điện bằng sức gió, được gọi là trại gió (wind farm) tập trung hàng trăm đến hàng ngàn đơn vị turbines, Dòng điện sản xuất ra có công suất tổng hợp đủ mạnh để đưa vào lưới (grid), nghĩa là hệ thống mạng kết hợp giữa nhiều nhà máy điện, đường dây tải điện và đường dây phân phối đến tất cả các nơi sử dụng.

Thành phần căn bản của mỗi turbin là rotor (quạt hứng gió) làm quay trục chính và hộp số (gear) chuyển thành vận tốc quay nhanh hơn cho máy phát điện.

 Những turbine lớn ngày nay có bộ điện tử tự động để điều chỉnh hộp số theo vận tốc quay thích ứng và điều khiển rotor về hướng luồng gió hoặc hãm lại khi gió quá mạnh. Ðiều kiện tối ưu để turbine hoạt động là sức gió từ 11 đến 55 dặm/giờ

Có hai loại turbine-gió căn bản: trục ngang và trục đứng.

Turbine-gió trục nằm ngang đặt ngay trên đầu cột cao, rotor thông thường là kiểu 3 cánh, hướng ngược hoặc xuôi chiều gió.

Turbine-gió trục đứng có thể đặt gần hay trên mặt đất, với nhiều kiểu cánh quạt hứng gió khác nhau, trong số đó có kiểu Darrieus (tên của nhà phát minh người Pháp) hình dáng tương tự như chiếc máy đánh trứng gà.

Mỗi loại và kiểu đều có những ưu và nhược điểm về phương diện kỹ thuật, chẳng hạn trục đứng không cần phải đổi hướng rotor mà lúc nào cũng hứng được gió, nhưng do lực xoắn (torque), nên khó đặt trên trụ cao, mà gần mặt đất thì sức gió yếu và không đều. Vì vậy những turbin công suất lớn ngày nay đều là loại trục ngang đặt trên những trụ rất cao.

Từ hơn 20 năm nay, bên đường đi đến San Francisco và San Jose người ta có thể thấy nhiều cánh quạt đủ kiểu đặt trên sườn núi ở các đoạn đèo Altamont đường 508 và Pacheco đường 152. Ðó là trại gió đầu tiên ở Hoa Kỳ tập trung tới 4,900 turbines lớn nhỏ vào thời kỳ cao điểm.

Công suất thiết kế của trại gió Altamont Pass là 576 megawatts (MW = 1 triệu watts hay 1,000 kilowatts) nhưng công suất hữu dụng trung bình chỉ là 125 MW vì không phải lúc nào các turbines cũng đủ sức gió để chạy. Ðến nay trại Altamont Pass đang được cải tiến, thay thế các turbines nhỏ lỗi thời bằng những turbines có công suất lớn hơn.

Ðể có một so sánh cụ thể, công suất thiết kế của các nhà máy thủy điện Hòa Bình ở Việt Nam với 8 turbines nước là 1,920 MW và “Hoover Dam” gần Las Vegas với 17 turbines nước là 2,080 MW. Những đập nước cũng có thể không đủ nước vào mùa khô để hoạt động hết công suất, tuy nhiên ít khi dưới 50% công suất lý thuyết.

Bây giờ tại nhiều nơi trên các sườn núi và sa mac có những “phong trại” tập trung hàng trăm cánh quạt hứng gió. Ba khu vực quan trọng nhất ở California là các đèo Altamont phía Ðông San Francisco, Tehachapi Ðông Nam Bakersfield và San Gorgonio gần Palm Springs.

Năm 1995 phong điện do California sản xuất bằng 30% toàn thế giới, nhưng đến nay chỉ còn chiếm một tỷ lệ rất nhỏ vì trên toàn quốc Hoa Kỳ cũng như thế giới, có những trại gió lớn hơn nhiều và sản xuất ra dòng điện công suất mạnh.

Trong vòng 10 năm nay, ngành điện gió phát triển nhanh, năm 2010 công suất thiết kế của các máy phát điện gió trên thế giới bằng 200 GW (200 tỷ watts).

Năm 2004 công suất tổng cộng của phong điện ở Hoa Kỳ chỉ có 6 GW, năm 2010 đã lên tới 35 GW, đứng đầu thế giới. So sánh cách khác, 40 GW là gấp hai lần công suất của nhà máy thủy điện Tam Hiệp, đập thủy điện lớn nhất thế giới trên sông Dương Tử ở Trung Quốc, chi phí ước lượng 40 tỷ dollars và xây dựng trong 15 năm.

Mặc dầu vậy, phong điện mới chỉ đáp ứng 2% nhu cầu điện lực Hoa Kỳ và dự tính sẽ lên tới 20% năm 2030. Tiểu bang Texas đứng đầu về công suất phong điện, 9.5 GW, 5% nhu cầu điện, và Roscoe Wind Farm công suất thiết kế 740 MW là trại gió lớn nhất thế giới. Iowa đứng hàng thứ nhì 3.7 GW, 14.2 %; California đứng hàng thứ ba 2.8GW, 2.8%. Công tác thiết kế phong điện là một ngành kỹ nghệ quan trọng đang phát triển, sử dụng 90,000 nhân công ở Hoa Kỳ.

Ðức và Trung Quốc đứng hạng nhì về phong điện cho đến nay, công suất thiết kế 25 GW. Trung Quốc có tiềm năng phong điện rất lớn, trên đất liền cũng như ngoài biển, và đặc biệt chú trọng đến việc phát triển nhằm giảm nhẹ nhu cầu tiêu thụ năng lượng dầu khí hay than đá gây nhiều ô nhiễm...

Tổng công suất thiết kế điện gió của Liên Hiệp Âu Châu (EU) là 75 GW và Ðan Mạch, nước tiên phong trong lãnh vực này, đến nay 20% điện sử dụng do từ phong điện. 50% turbine gió công suất lớn ở Trung Quốc do Ðan Mạch chế tạo.

Mỗi turbin-gió có công suất từ vài trăm watt đến vài triệu watt (MW). Turbin gió lớn nhất hiện nay là Enecon E-126 tại Ðức, công suất 7 MW, đặt trên trụ cao 130 mét, đường kính của rotor 126 mét. Nhưng nhiều quốc gia khác có dự án làm những turbine lớn hơn nữa, công suất trên 10 MW.

Năm tới Na Uy sẽ hoàn thành một turbine 10 MW đường kính rotor 156 mét, đặt trên trụ cao 100 mét ngoài biển, trị giá thiết kế $70 triệu...

Việc thiết kế phong điện đòi hỏi những ngân khoản đầu tư lớn, tuy nhiên sau đó hầu như không phải tốn kém thêm gì ngoài việc điều hành và bảo trì.

Trung bình tuổi thọ của các turbine gió từ 20 đến 25 năm. Giá của mỗi turbin gió phụ thuộc từng cỡ và loại máy, trụ gắn, đường dây điện, máy biến thế, chi phí chuyên chở, lắp đặt,... ngoài ra còn có các vấn đề nghiên cứu địa điểm, hướng dẫn sử dụng, bảo trì, và nhiều yếu tố khác nữa.

Trung bình các turbin-gió loại lớn dùng cho thương mại phí tổn vào khoảng từ $1,2 triệu đến $2.6 triệu cho mỗi MW (1 triệu watts hay 1,000 kW) công suất thiết kế. Như vậy hầu hết các turbin-gió thương mại hiện nay có công suất cỡ 2 MW trị giá khoảng $3.5 triệu.

Những turbin-gió loại nhỏ tất nhiên rẻ hơn nhưng phí tổn tính theo công suất lại đắt hơn nhiều nghĩa là hiệu quả kinh tế thấp. Một turbin-gió 10 kW chỉ đủ để cung cấp điện cho một nhà, trị giá khoảng $35,000 đến $50,000.

Trên nguyên tắc mọi người đều có thể đặt turbine gió và bán điện dư dùng cho các công ty điện lực, tuy nhiên trong thực tế còn có nhiều phức tạp kỹ thuật của việc điều hành mạng lưới điện.

Do đó dòng điện sinh ra từ các turbine công suất nhỏ khoảng dưới vài trăm kW chỉ được sử dụng ngoài mạng (off-grid) nghĩa là riêng rẽ tại chỗ cho một số ít nơi tiêu thụ ở ngay địa phương.

Cho đến năm 2005, Trung Quốc chế tạo hay nhập cảng khoảng 200,000 turbine loại nhỏ này và đứng đầu thế giới về loại phong điện ngoài mạng.

Không phải ở đâu cũng có gió mạnh và thường xuyên quanh năm. Vì vậy muốn lập trại gió, các công ty đã phải nghiên cứu địa thế từng vùng để chọn khu vực tối ưu. Nếu phải dùng đất tư nhân, như đồng ruộng, nông trại, tiền phải trả mỗi năm cho một trụ turbine gió khoảng từ $3,000 đến $4,000.

Trên núi cao và ngoài bờ biển là những nơi gió mạnh, thuận lợi đặt turbine hay lập trại gió, tuy nhiên phí tổn thiết kế rất cao.

Cũng có nhiều ý kiến hoài nghi, một số người cho rằng sẽ có nhiều khó khăn kỹ thuật trong sự điều hành mạng lưới điện nếu điện gió chiếm một tỷ lệ quan trọng.

Những người khác lo ngại sự phát triển nhiều trại gió có ảnh hưởng đến môi trường, khung cảnh tự nhiên và nguy hại cho động vật hoang dã đặc biệt là loài chim. Theo cơ quan bảo vệ thiên nhiên Hoa Kỳ, mỗi năm có từ 10,000 đến 40,000 con chim chết vì đụng các cánh quạt gió.

Tuy nhiên theo nghiên cứu, số chim bị nạn vì quạt gió còn thấp hơn số chim chết vì ảnh hưởng của việc sử dụng những nguồn năng lực không sạch khác.

 Cuối cùng thì mọi người đều phải nhìn nhận rằng với nguồn nhiên liệu khai thác từ các mỏ ngày một cạn dần và hậu quả tác hại của khí carbonic gia tăng trong sự phát triển kỹ nghệ, giá trị của nguồn năng lượng sạch và phong phú như gió được khai thác sử dụng đúng mức là hợp lý và hết sức cần thiết. (HC)