Năng lượng gió là gì? Vai trò, ứng dụng và ưu, nhược điểm

Năng lượng gió đang trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất toàn cầu nhờ ưu điểm dồi dào và “sạch”. Vậy chính xác, năng lượng gió là gì? Vai trò và ứng dụng của nguồn năng lượng này như thế nào? Mời bạn tìm hiểu cùng chúng tôi qua bài viết sau. 

Năng lượng gió là gì?

Năng lượng gió thuộc dạng động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển và được chuyển đổi thành điện thông qua các tuabin gió. Những tuabin này có nhiệm vụ biến đổi động năng thành cơ năng, sau đó sẽ được máy phát điện chuyển thành điện năng (điện gió) - theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA). 

Trước đây, năng lượng gió được dùng để điều khiển thuyền buồm, cối xay gió và máy bơm gió nhưng hiện nay, năng lượng gió được dùng chủ yếu để tạo ra điện. 

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) xếp năng lượng gió (chủ yếu là điện gió) vào nhóm năng lượng tái tạo với khả năng tái sinh vô hạn và ưu điểm không phát thải carbon, không tiêu thụ nước. Ngày nay, điện gió đã và đang trở thành ngành công nghiệp mới của thế giới, đem lại nhiều lợi ích cả về kinh tế và xã hội cho con người, đặc biệt là ở khu vực châu Âu. 

Nguồn gốc hình thành năng lượng gió

Gió là một trong những nguồn năng lượng thứ cấp của năng lượng mặt trời, do đó, mặt trời được coi là nguồn gốc hình thành sâu xa của năng lượng gió. Chính xác hơn, gió được tạo ra do sự chênh lệch áp suất trong khí quyển. Khi bức xạ mặt trời làm nóng bề mặt Trái Đất không đồng đều, các phân tử sẽ di chuyển liên tục từ vùng có khí áp cao xuống vùng có khí áp thấp, từ đó hình thành nên gió. 

Ngoài ra, việc Trái Đất xoay tròn cũng có thể tạo ra các xoáy không khí hay trục quay của Trái Đất nghiêng cũng là tác nhân gây nên các dòng không khí theo mùa (hiệu ứng Coriolis). 

Ít nhất từ 3.500 năm trước Công nguyên, năng lượng gió đã được con người khai thác bằng cách tận dụng sức gió để di chuyển thuyền buồm. Theo thời gian, năng lượng gió ngày nay chủ yếu được sử dụng để tạo ra điện thông qua 3 cách cơ bản như sau: 

Cách 1: Sử dụng tuabin gió

Tuabin gió được thiết kế để chuyển đổi động năng của gió thành điện năng dựa vào chuyển động xoay tròn của các cánh quạt. Tuabin gió thường quay với tốc độ khá chậm, vì vậy để tạo ra điện, trục tốc độ thấp trong tuabin sẽ được kết nối với cánh của tuabin, trong khi trục tốc độ cao kết nối với máy phát điện. 

Đa phần các máy phát điện trong trang trại gió đều tạo ra được nguồn điện xoay chiều có khả năng sử dụng trực tiếp. Do đó, hệ thống điện gió không cần đến các thiết bị chuyển đổi từ điện một chiều sang xoay chiều như các nhà máy điện truyền thống hay điện mặt trời (quang điện). 

Cơ quan Năng lượng Quốc tế cho biết, việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động và cảm biến thông minh vào các tuabin gió đã góp phần cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi và độ ổn định của điện gió. Tuy nhiên, do sản lượng gió có sự thay đổi lớn theo tháng, thậm chí là theo ngày nên để duy trì nguồn điện liên tục, điện gió nên được kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời hoặc sử dụng hệ thống bồn chứa nước trên cao để vận hành tuabin trong trường hợp không đủ gió. 

Cách 2: Sử dụng cây điện gió

Bản chất, cây điện gió có nguyên lý hoạt động tương tự tuabin gió nhưng không phát ra tiếng ồn. Phương pháp này thích hợp lắp đặt trong khu vực đông dân cư hoặc nơi công cộng với ưu điểm vượt trội là tạo ra điện “sạch” và khắc phục được hạn chế của tuabin gió là ô nhiễm tiếng ồn. Có điều, cây điện gió không phù hợp với việc sản xuất điện ở quy mô lớn. 

Cách 3: Sử dụng diều điện gió

Đây là bước đột phá của ngành công nghiệp điện gió khi giải quyết được vấn đề chi phí lắp đặt tuabin gió đắt đỏ và yêu cầu diện tích lớn để đặt trang trại gió. 

Nguyên lý hoạt động của diều điện gió khá đơn giản: Diều được thả lên trời để tận dụng nguồn gió trên cao. Gió làm quay cánh quạt tích hợp trên cánh diều, sau đó kích hoạt máy phát điện đặt dưới mặt đất để tạo điện năng từ gió. 

Phương pháp này thực tế vẫn đang trong quá trình thử nghiệm và chưa được áp dụng phổ biến ở nhiều quốc gia. 

Vai trò và ứng dụng của năng lượng gió

Năng lượng gió nói riêng và các nguồn năng lượng tái tạo khác nói chung đang đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại biến đổi khí hậu toàn cầu và thúc đẩy nền kinh tế bền vững của thế giới. 

Giảm thiểu biến đổi khí hậu

Điện gió không phát thải khí carbon, SO2, NOx hay PM2.5. Đặc biệt, do không trải qua bất kỳ quá trình đốt cháy nào để tạo ra điện nên lượng khí nhà kính từ tuabin gió gần như bằng 0 và được đánh giá là thấp nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo. 

Bên cạnh đó, các trang trại gió có thể dễ dàng tháo dỡ khi không sử dụng nên ít để lại dấu chân môi trường và đất tại đây vẫn được tái sử dụng hoặc tận dụng cho nhiều mục đích khác. 

Ngày nay, ngành công nghiệp điện gió đang ngày càng nỗ lực cải tiến vật liệu sử dụng với 85-90% tuabin gió có thể tái chế. Do đó, năng lượng gió vốn đã sạch, nay càng hạn chế được tác động đến đa dạng sinh học hay rác thải ra môi trường.  

Đảm bảo an ninh năng lượng

Năm 2024, sản lượng điện gió toàn cầu ghi nhận con số 2.494 TWh điện, chiếm 8.1% tổng lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới, trong đó Trung Quốc và Hoa Kỳ là 2 quốc gia có công suất điện gió lớn nhất. 

Tại Châu Âu, năng lượng gió hiện đáp ứng được 20% nhu cầu điện trong khu vực. Tính riêng ở một số quốc gia khác, điện gió còn cho khả năng đáp ứng cao hơn nhiều, ví dụ; Đan Mạch 56%; Ireland 33%; Thụy Điển 31%; Đức 30%; Vương quốc Anh 30%; Hà Lan 29% và Tây Ban Nha 25%. Ủy ban EU dự báo, năng lượng gió sẽ chiếm một nửa sản lượng điện của Châu Âu vào năm 2050. Tuy nhiên, để đáp ứng được các mục tiêu tại Thỏa thuận chung Paris nhằm hạn chế biến đổi khí hậu toàn cầu, các chuyên gia nhận định, tỷ trọng của điện gió cần tăng trưởng thêm ít nhất là 1% mỗi năm tại nhiều quốc gia. 

Tạo ra việc làm

Ngành công nghiệp năng lượng gió có khả năng tạo ra hàng triệu việc làm liên quan đến thiết kế, sản xuất, lắp đặt, vận hành và bảo trì các tuabin gió, góp phần thúc đẩy kinh tế địa phương.

Điển hình như ở Châu Âu, ngành công nghiệp điện gió đã tạo ra khoảng 370.000 việc làm và dự kiến sẽ tăng lên 600.000 việc làm vào năm 2030 với hơn 250 nhà máy được lắp đặt, cả ở những vùng có kinh tế khó khăn. Tương ứng, điện gió cũng đóng góp khoảng 52 tỷ euro vào GDP của Châu Âu, trong đó có 10 tỷ euro tiền thuế. Ngành công nghiệp này đã và đang hợp tác với Chính phủ để phát triển nguồn nhân lực và khuyến khích sự dịch chuyển lao động từ các ngành nhiên liệu hóa thạch. 

Giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng khác

Điện gió - cùng các nguồn năng lượng tái tạo khác, đang góp phần giảm sự lệ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Điều này có ý nghĩa chiến lược đối với các quốc gia còn phải nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch, từ đó hạn chế được sự rủi ro khi giá nhiên liệu biến động hay khủng hoảng địa chính trị nổ ra, đồng thời chủ động trong việc điều chỉnh giá nhiên liệu phù hợp với tình hình phát triển của quốc gia. Tại EU, điện gió đã giúp Chính phủ các nước tiết kiệm được 100 tỷ mét khối nhiên liệu hóa thạch phải nhập khẩu.

Sản lượng điện theo các nguồn năng lượng 

Với những vai trò quan trọng như trên, năng lượng gió hiện đang được ứng dụng chủ yếu ở các khía cạnh: 

• Sản xuất điện: Ứng dụng phổ biến nhất của năng lượng gió hiện nay. Điện từ gió là loại điện “sạch”, không gây ô nhiễm môi trường, không phát thải khí nhà kính lại tận dụng được tối đa nguồn năng lượng dồi dào tại mỗi địa phương. Ứng dụng này đặc biệt có ý nghĩa đối với các khu vực chưa có lưới điện quốc gia. 

• Giao thông vận tải: Từ thời cổ đại, gió đã được con người tận dụng để điều khiển thuyền buồm trên sông Nile. Ngày nay, năng lượng gió tiếp tục được ứng dụng để di chuyển tàu thuyền, cối xay gió, khinh khí cầu… Một số tàu thủy hiện đại còn được tích hợp hệ thống cánh quạt giúp tăng tốc độ di chuyển và giảm nhiên liệu. 

• Bơm nước: Vẫn là sử dụng các tuabin nhưng thay vì được kết nối với máy phát điện, các tuabin này kết nối với máy bơm nước gió để lấy nước từ trong lòng đất phục vụ nhu cầu tưới tiêu của các trang trại nhỏ. 

• Hydro tái tạo: Năng gió gió được dùng để tạo ra dòng điện liên tục phục vụ cho việc sản xuất hydro tái tạo. Loại hydro này sau đó được sử dụng để sản xuất nhiên liệu tổng hợp hoặc nhiên liệu sinh thái. 

2 loại năng lượng gió phổ biến

Năng lượng gió bao gồm 2 loại phổ biến là năng lượng gió trên bờ và ngoài khơi.

Năng lượng gió trên bờ

Đây là mô hình khai thác năng lượng gió phổ biến nhất hiện nay. Để phát huy được tối đa tiềm năng của gió, các trang trại gió trên bờ thường được đặt ở ven biển hoặc các khu vực thảo nguyên rộng lớn. Cơ quan Năng lượng Quốc tế đánh giá, điện gió trên bờ giúp giảm đáng kể khí CO2, cũng như giảm áp lực lên lưới điện quốc gia. 

Đa phần năng lượng gió vi mô được khai thác qua các tuabin gió trên bờ có công suất dưới 100kW nên chỉ phù hợp để sử dụng cho quy mô nhỏ hoặc phục vụ cho vùng sâu, vùng xa, vùng hải đảo - nơi chưa có lưới điện tiếp cận hoặc việc lắp lưới điện rất tốn kém. Do có công suất hạn chế nên năng lượng gió trên bờ thường được kết hợp với năng lượng mặt trời, tạo nên hệ thống lai gió - mặt trời. 

Năng lượng gió ngoài khơi

So với điện gió trên bờ, điện gió ngoài khơi được khai thác ở quy mô lớn hơn với một hệ thống các tuabin gió được đặt giữa đại dương. Do không bị gián đoạn bởi địa hình, vật cản, gió ngoài khơi tạo ra sản lượng điện lớn hơn và đều đặn hơn gió trên bờ nên phù hợp để cung cấp năng lượng cho các nhà máy công suất lớn hoặc hòa vào lưới điện quốc gia. Tuy vậy, trang trại gió ngoài khơi yêu cầu cần có siêu công trình tương ứng, đi kèm là công nghệ khai thác hiện đại nên chi phí đầu tư ban đầu là con số khổng lồ. 

Ưu, nhược điểm của năng lượng gió

Ưu điểm

• Tái sinh vô hạn: Gió là nguồn năng lượng phong phú, dồi dào và không bao giờ cạn kiệt. Hơn nữa, tiềm năng khai thác của nguồn năng lượng này hiện vẫn chưa được khai thác hết. 
• Nguồn năng lượng sạch: Từ nguyên liệu đầu vào đến quá trình sản xuất và năng lượng đầu ra, điện gió đều không cần đốt nhiên liệu, thậm chí còn không sử dụng nước nên không tác động tiêu cực đến môi trường. 
• Tiết kiệm chi phí: Sử dụng nguyên liệu đầu vào miễn phí nên điện gió được xếp vào nhóm điện có giá rẻ nhất hành tinh. Văn phòng Năng lượng Hiệu quả & Năng lượng Tái tạo (Hoa Kỳ) ghi nhận, mỗi kWh điện gió chỉ có giá từ 1-2 cent. Đặc biệt, điện gió không bị ảnh hưởng bởi cuộc khủng hoảng địa chính trị, biến động nhiên liệu toàn cầu nên giá cả được giữ ở mức bình ổn trong thời gian dài. Ngay cả chi phí vận hành, bảo trì tại các nhà máy điện gió cũng thấp hơn nhiều so với các nhà máy điện khác do vòng đời của tuabin gió là khá lớn. 
• Tiềm năng phát triển lớn: Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế cho biết, ngành công nghiệp năng lượng gió đang tạo ra 1.2 triệu việc làm và con số này vẫn đang không ngừng tăng lên mỗi năm, cho thấy tiềm năng phát triển của năng lượng gió là rất lớn. Điều này cũng phù hợp với xu hướng chuyển dịch sang năng lượng xanh đang phổ biến ở quy mô toàn cầu. 
• Không gian khai thác thuận lợi: Điện gió có thể được lắp đặt ở bất kì đâu, miễn là có gió. Công nghệ ngày nay còn cho phép các tuabin gió hoạt động ở tốc độ gió thấp hơn, tức là có thể khai thác năng lượng gió ngay trong khu dân cư, khu đô thị. 
• Tận dụng đất canh tác tại các trang trại gió: Không giống các nhà máy điện mặt trời yêu cầu cần có diện tích đủ rộng để đặt tấm pin mặt trời trên đất, các trang trại gió vẫn tận dụng được diện tích đất giữa các tuabin để canh tác, trồng trọt, giúp tối ưu giá trị kinh tế từ mỗi mét vuông đất. 

Nhược điểm

• Ô nhiễm tiếng ồn: Tuy không gây ồn ào đến mức ảnh hưởng đến thính giác của con người nhưng các tuabin gió vẫn có thể tạo ra tiếng ồn với phạm vi ảnh hưởng trong khoảng 300m (45dB). 
• Tác động đến động vật hoang dã và cảnh quan: Khi tuabin gió hoạt động có thể gây nguy hiểm đến các loài chim và một số động vật hoang dã khác. Bên cạnh đó, cũng có ý kiến cho rằng các trang trại gió đã và đang ảnh hưởng đến cảnh quan tại các khu di tích, danh lam thắng cảnh và đất nông nghiệp nên nhiều nông dân phản đối việc lắp đặt các trang trại gió. 
• Sản lượng gió không ổn định: Sản lượng gió dễ thay đổi theo cường độ, hướng gió khiến điện gió có thể không đáp ứng đủ nhu cầu trong những ngày ít gió. Đây là lý do các chuyên gia khuyến cáo nên tích hợp hệ thống điện gió với điện mặt trời để tận dụng tối đa các nguồn năng lượng tái tạo. Thế nhưng, sự phát triển của công nghệ hiện đại đã khắc phục được nhược điểm này. Thông qua các máy đo gió tự động, tuabin gió được điều chỉnh hướng quay để tạo ra sản lượng gió nhiều nhất có thể. Đồng thời hệ thống lưu trữ điện cũng được sử dụng để duy trì điện gió trong điều kiện thời tiết xấu. 
• Chi phí đầu tư cao: Tuy chi phí vận hành, bảo trì thấp nhưng chi phí đầu tư cho các tuabin gió là rất lớn. Đây chính là gánh nặng đối với nhiều quốc gia đang phát triển khi muốn khai thác nguồn năng lượng này. 

Tiềm năng phát triển năng lượng gió tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng phát triển năng lượng gió mạnh mẽ nhờ vào ưu thế 39% diện tích đất nước có tốc độ gió trung bình năm ở độ cao 65m lớn hơn 6m/s, quy đổi thành tổng công suất 512 GW (tương đương hơn 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La), trong đó, các tỉnh ven biển như Bình Thuận, Ninh Thuận, Bình Phước, Quảng Ngãi… rất lý tưởng để lắp đặt các trang trại gió phục vụ cho các nhà máy điện gió. 

Ngoài ra, để đạt được mục tiêu đưa phát thải ròng về 0 vào năm 2050, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2030 và có tầm nhìn đến năm 2050, tập trung vào 2 nội dung chính gồm: ưu đãi khi xây dựng nhà máy điện gió và cơ chế FiT cho phép giá bán điện gió cho Điện lực nhà nước luôn cao hơn giá thị trường. Nhờ đó, điện gió và điện mặt trời đang là 2 ngành công nghiệp năng lượng tái tạo phát triển khá mạnh mẽ tại Việt Nam, đóng góp từ 70 - 80 tỷ USD vào GDP cả nước. 

Một số nhà máy điện gió quy mô lớn đang hoạt động ở nước ta hiện nay:

• Nhà máy điện gió Trung Nam (Ninh Thuận)
• Nhà máy điện gió Chính Thắng (Ninh Thuận)
• Nhà máy điện gió Ninh Thuận (Ninh Thuận)
• Nhà máy điện gió Đầm Nại (Ninh Thuận)
• Nhà máy điện gió Mũi Dinh (Ninh Thuận)
• Nhà máy năng lượng gió Phú Quý (Bình Thuận)
• Nhà máy điện gió Bạc Liêu (Bạc Liêu)

Một số câu hỏi về năng lượng gió

Câu hỏi 1: Năng lượng gió thuộc nhóm năng lượng nào?

Trả lời: Năng lượng gió thuộc nhóm năng lượng tái tạo, có khả năng tái sinh vô hạn và không thể cạn kiệt. 

Câu hỏi 2: Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là gì? Cách khắc phục như thế nào?

Trả lời: Năng lượng gió có nhược điểm lớn nhất là phụ thuộc vào tình hình thời tiết. Tuy nhiên các nhà khoa học đã tìm ra giải pháp khắc phục bằng cách sử dụng các máy đo gió tự động để điều chỉnh hướng quay của tuabin nhằm thu được sản lượng gió tối ưu nhất, đồng thời trang bị thêm hệ thống pin lưu trữ để cung cấp đủ điện năng cho những ngày thời tiết xấu. 

Câu hỏi 3: Năng lượng gió có hiệu quả hơn năng lượng mặt trời không?

Trả lời: Thực tế mỗi loại năng lượng này đều có ưu, nhược điểm khác nhau và chính các chuyên gia cũng không đặt lên bàn cân so sánh năng lượng mặt trời - gió về tính hiệu quả. Nhưng nhìn chung, năng lượng gió có hiệu suất chuyển đổi cao hơn và có thể sản xuất cả ngày lẫn đêm. Trong khi năng lượng mặt trời dễ lắp đặt hơn, yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn và ứng dụng cũng rộng rãi hơn.