Biến hàng nghìn mỏ than bỏ hoang thành 'kho báu' năng lượng khổng lồ: Thế giới chấn động?

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) đã phát triển thành công các công cụ mô hình hóa tiên tiến, mở ra khả năng biến hàng nghìn mỏ than bị bỏ hoang tại Mỹ thành các hồ chứa năng lượng khổng lồ dưới lòng đất.

Bằng cách xây dựng các mô hình thủy động lực học và hóa học có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đã vượt qua một rào cản kỹ thuật lớn trong việc xác định cách tái sử dụng các mỏ than cũ cho hệ thống thủy điện tích năng (Pumped Storage Hydropower – PSH).

Thành tựu này được đánh giá có thể mang lại hai lợi ích quan trọng cho hệ thống năng lượng Mỹ: Vừa cung cấp khả năng lưu trữ điện dài hạn cần thiết cho lưới điện trung hòa carbon, vừa góp phần hồi sinh các cộng đồng từng sống dựa vào ngành khai thác than.

Tái hình dung “pin nước” khổng lồ

Hệ thống thủy điện tích năng (PSH) thường được gọi là “pin nước” vì cơ chế hoạt động của nó dựa trên việc bơm nước giữa hai hồ chứa ở các độ cao khác nhau.

Khi nguồn điện dồi dào hoặc giá rẻ – chẳng hạn vào buổi chiều nắng khi điện mặt trời sản xuất nhiều – nước sẽ được bơm lên hồ chứa ở vị trí cao hơn. Khi nhu cầu điện tăng cao, nước sẽ chảy ngược xuống qua các tuabin để phát điện.

Hiện nay, PSH chiếm hơn 90% tổng công suất lưu trữ năng lượng quy mô lớn tại Mỹ. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ này lâu nay bị hạn chế bởi điều kiện địa hình. Các nhà máy PSH truyền thống cần núi hoặc đồi lớn để tạo ra chênh lệch độ cao cần thiết – còn gọi là “cột nước” (head).

Đột phá của ORNL đã thay đổi cách tiếp cận này bằng cách đưa hệ thống xuống dưới lòng đất. Phương pháp mới tận dụng các trục và đường hầm sâu của những mỏ than bỏ hoang để làm hồ chứa nước phía dưới, thay vì phải xây dựng các công trình lớn trên sườn núi.

Nhờ vậy, công nghệ có thể triển khai ở những khu vực địa hình bằng phẳng, vốn trước đây không phù hợp để xây dựng thủy điện tích năng. Đồng thời, việc tận dụng hạ tầng sẵn có của các mỏ cũng giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng và rút ngắn thời gian triển khai.

Giải quyết nguy cơ ăn mòn hóa học và mất ổn định cấu trúc

Tuy nhiên, việc chuyển đổi mỏ than thành cơ sở lưu trữ năng lượng không hề đơn giản, bởi môi trường bên trong các mỏ thường phức tạp về hóa học và cấu trúc địa chất.

Nhà nghiên cứu cấp cao Thien Nguyen tại ORNL cho biết, dù thủy điện tích năng dưới lòng đất là một cơ hội đầy hứa hẹn, ngành năng lượng vẫn phải giải quyết nhiều thách thức, trong đó có ăn mòn hóa học và độ ổn định kết cấu.

Các mô hình mới của ORNL cho phép các kỹ sư mô phỏng chính xác cách nước di chuyển trong hệ thống đường hầm cũng như tương tác của nước với các khoáng chất tự nhiên trong mỏ.

Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán nguy cơ ăn mòn, xác định cách các khoáng chất còn sót lại có thể làm hư hại các tuabin đắt tiền. Đồng thời, mô hình cũng giúp đánh giá độ bền kết cấu của mỏ, đảm bảo rằng dòng nước áp suất cao không gây nứt vỡ hoặc sụp đổ thành hầm.

“Thủy điện tích năng dưới lòng đất là một cơ hội đầy hứng khởi, nhưng chúng ta phải vượt qua những thách thức như ăn mòn hóa học và ổn định cấu trúc”, nhà nghiên cứu Thien Nguyen nhấn mạnh.

Phân tích kinh tế và hiệu quả hệ thống trong tương lai

Hiện nay, nhóm nghiên cứu của ORNL đang tiến tới phân tích kỹ thuật – kinh tế toàn diện cho công nghệ này.

Theo Galen Fader, chuyên gia viết khoa học tại ORNL, các công cụ mô hình hóa mới sẽ giúp các đối tác trong ngành đánh giá rủi ro và đưa ra quyết định chính xác về thiết kế, xây dựng và vận hành các cơ sở lưu trữ năng lượng tại từng địa điểm cụ thể.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng dự kiến đánh giá hiệu suất hệ thống để xác định những phương pháp tối ưu cho việc xây dựng và vận hành các cơ sở trong thực tế.

Nếu thành công, nghiên cứu này có thể biến những mỏ than từng là gánh nặng môi trường thành tài sản quan trọng của hệ thống điện.