Cung cấp năng lượng cho hoạt động nuôi biển xa bờ: Hydro có thể là giải pháp bền vững?
Nuôi biển xa bờ được xác định bằng nhiều tiêu chí khác nhau như độ sâu nước, khoảng cách từ bờ, mức độ tiếp xúc với sóng và ranh giới quyền tài phán (Gentry et al., 2017b). Một định nghĩa chung được áp dụng rằng nuôi biển xa bờ diễn ra ở vùng biển khơi với sự tiếp xúc đáng kể với tác động của gió và sóng (Lader và cộng sự, 2007, Fredriksson và cộng sự, 2003), đòi hỏi thiết bị và tàu phục vụ có khả năng hoạt động trong điều kiện biển khắc nghiệt (Drumm, 2010, Tsukrov và cộng sự, 2000).
Ngoài ra, các ý kiến khác lại cho rằng nuôi biển xa bờ được định nghĩa là không quá gần bờ, theo nghĩa là năng lượng điện không thể được lấy từ lưới điện đất liền. Ngay cả khi định nghĩa về vùng ngoài khơi được thay đổi thành xa bờ biển thì thách thức về việc cung cấp năng lượng liên tục vẫn tồn tại.
Hoạt động của các trang trại nuôi trồng thủy sản ven biển có thể dựa vào năng lượng từ lưới điện trên đất liền hoặc các nguồn nội địa khác. Tuy nhiên, các cơ sở ngoài khơi phải đối mặt với những thách thức đặc biệt trong việc đáp ứng yêu cầu năng lượng một cách hiệu quả. Nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất trong tài liệu và người ta thường kết luận rằng cách tiếp cận bền vững nhất là sản xuất năng lượng tại chỗ từ các nguồn tái tạo.
Các giải pháp năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời, gió, dòng hải lưu và nước thủy triều, đã được nghiên cứu rộng rãi (Costello và cộng sự, 2020; FAO, 2020; Goldburg và Naylor, 2005). Hệ thống quang điện nổi, tua bin gió nhỏ và sự kết hợp của các công nghệ này được xác định là giải pháp thích hợp hơn (Buck và Krause, 2012). Tuy nhiên, các hệ thống này rất nhạy cảm với những vấn đề như ăn mòn do nước mặn, đóng cặn, độ ẩm cao, tảo phát triển và các vấn đề bảo trì phát sinh do tác động của sóng và gió. Ngoài ra, các giải pháp này không thể cung cấp năng lượng liên tục, đòi hỏi phải kết hợp hệ thống pin lưu trữ năng lượng, điều này làm tăng đáng kể chi phí do chi phí ban đầu cao và gây ra những lo ngại liên quan đến ăn mòn, an toàn và bảo trì pin.
Một cách tiếp cận được đề xuất trên toàn cầu liên quan đến việc sử dụng đa dạng các trang trại gió ngoài khơi (OWF), trang trại năng lượng mặt trời và NTTS trong cùng một cơ sở hạ tầng. Vị trí chung này mang lại những lợi thế như quy hoạch không gian tốt hơn, năng lượng sạch và giảm chi phí lắp đặt trang trại cá (Buck và cộng sự, 2008, Wever và cộng sự, 2015). Tuy nhiên, cách tiếp cận này có thể không được áp dụng phổ biến do chi phí cơ sở hạ tầng tổng thể đáng kể và những hạn chế liên quan đến độ sâu nước biển cao.
Do nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc thiết lập một hệ thống độc lập cho các trang trại nuôi biển xa bờ vẫn là một thách thức. Nghiên cứu gần đây đã cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về nhu cầu năng lượng của một trang trại nuôi biển ngoài khơi, xem xét các giải pháp cung cấp năng lượng hiện tại, khám phá một giải pháp mới tiềm năng sử dụng hydro làm nhiên liệu chính và so sánh các giải pháp công nghệ hydro với các nguồn năng lượng truyền thống.
Năng lượng hydro - công nghệ tiên tiến
Trọng tâm của nghiên cứu này là hydro, được công nhận là nhiên liệu sạch tiết kiệm chi phí nhất và có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng chính trong tương lai (Awad và Veziroǧlu, 1984, Ouyang và cộng sự, 2021). Hydro có hiệu suất sử dụng cao nhất khi chuyển đổi thành các dạng hữu ích và có khả năng lưu trữ năng lượng đáng kể, với 1 kg hydro chứa khoảng 120 MJ (tương đương 33,33 kWh), cao hơn gấp đôi so với hầu hết các loại nhiên liệu thông thường (Abe và cộng sự, 2019, Veziroălu và Şahin, 2008). Là nguyên tố nhẹ nhất có trọng lượng phân tử 2,016 kg/kmol và mật độ 0,0899 kg/m³ tại T=272,150 K và Pr=101,325kPa, hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong tự nhiên và có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau ( Muire, 2015).
Một trong những phương pháp đơn giản nhất để sản xuất hydro là điện phân nước, như minh họa trong Hình 1, trong đó hai điện cực trong nước được nối với nguồn điện, dẫn đến sự phân hủy nước thành oxy và hydro. Hydro là nhiên liệu đốt sạch, chỉ tạo ra nước dưới dạng sản phẩm phụ. Ngoài ra, nó có thể được tạo ra từ các nguồn tài nguyên khác nhau, bao gồm khí đốt tự nhiên, năng lượng hạt nhân, sinh khối, năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Gần đây, việc sử dụng rộng rãi hydro làm nhiên liệu đã bị cản trở do thiếu các giải pháp lưu trữ hydro hiệu quả. Mặc dù ý tưởng sử dụng hydro làm chất mang năng lượng có nguồn gốc từ hai trăm năm trước, khi động cơ đốt trong hydro đầu tiên được phát triển và có những ưu điểm đã được kiểm chứng, việc sử dụng rộng rãi nó phải đối mặt với hai thách thức chính:
a) vấn đề về độ ổn định do mật độ cực thấp, đặt ra những trở ngại kỹ thuật đáng kể cho việc lưu trữ và vận chuyển;
b) các vấn đề về chi phí đòi hỏi phải phát triển các cấu trúc quy mô lớn, tiết kiệm chi phí để nâng cao khả năng tồn tại thương mại của pin nhiên liệu (FC).
Những tiến bộ gần đây trong công nghệ và sản xuất hydro đã giúp giảm đáng kể chi phí của hệ thống pin nhiên liệu hydro. Ví dụ: một hệ thống sưởi ấm gia đình bằng hydro điển hình, có giá 60.000 USD vào năm 2005, đã giảm xuống chỉ còn 10.000 USD vào năm 2020 (Staffell và cộng sự, 2019). Lưu trữ hydro là một yếu tố quan trọng trong việc thiết lập hydro làm nhiên liệu chính, không chỉ cho ứng dụng nuôi biển xa bờ đang được nghiên cứu trong nghiên cứu này mà còn cho tất cả các ứng dụng khác cần tiêu thụ điện (Prachi R. và cộng sự, 2016).
Thách thức chính liên quan đến việc sử dụng hydro là cơ sở hạ tầng cần thiết để lưu trữ. Do mật độ thấp nên việc lưu trữ một khối lượng nhỏ hydro đòi hỏi thể tích lưu trữ lớn và áp suất cực cao. Áp suất cao là kết quả của lực nén mạnh và gây ra những lo ngại đáng kể về an toàn. Các giải pháp lưu trữ hydro là chủ đề nghiên cứu sâu rộng trong nhiều năm và gần đây, hệ thống năng lượng quy mô nhỏ được thương mại hóa đầu tiên chạy bằng hydro đã được giới thiệu (Farias và cộng sự, 2022, Zacharia và Rather, 2015). Hiện nay, có ba phương pháp lưu trữ hydro chính được sử dụng:
- Lưu trữ hydro bằng nén;
- Kho chứa hydro lỏng;
- Bộ lưu trữ thể rắn.
Nói chung, hệ thống lưu trữ hydro phục vụ hai quá trình riêng biệt: a) lưu trữ hydro; và b) sản xuất điện (Luo và cộng sự, 2015). Pin nhiên liệu hydro là một thiết bị tạo ra điện bằng cách sử dụng hydro làm nhiên liệu thông qua phản ứng điện hóa (năng lượng 2H2 + O2 → 2H2O +), chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng, như mô tả trong Hình 2.
Hình 2. Chức năng cơ bản của pin nhiên liệu sử dụng oxy và hydro để sản xuất điện, với sản phẩm phụ là nước và đầu.
Pin nhiên liệu được phân thành sáu nhóm chính dựa trên vật liệu màng và chất điện phân:
- Pin nhiên liệu kiềm (AFC);
- Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC);
- Pin nhiên liệu ôxit rắn (SOFC);
- Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC);
- Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC);
- Pin nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC).
Tùy thuộc vào ứng dụng mong muốn, các loại pin nhiên liệu khác nhau có thể phù hợp hơn vì mỗi nhóm đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, như được trình bày trong Bảng 2. Những tiến bộ gần đây trong giải pháp lưu trữ hydro có thể đóng một vai trò quan trọng trong nuôi trồng thủy sản xa bờ bằng cách cung cấp một giải pháp giải pháp thay thế cho các công nghệ hiện tại (Chalk và Miller, 2006, Jorgensen, 2011).
| FC Type | Vận hành T (°C) | Công suất (kW) | Hiệu suất (%) | Ưu điểm | Nhược điểm | Ứng dụng |
| AFC | ∼100 | 10–100 | 60 | Hiệu suất | Chi phí | Khả năng di động, không gian |
| PAFC | ∼180 | 50–1000 | >40 | Hiệu quả khi kết hợp với CHO | Mật độ dòng điện thấp | Sự phân tán |
| SOFC | ∼900 | 1–2000 | 70 | Nguồn điện ngoài lưới | Ăn mòn | Nguồn điện phụ trợ, phát điện quy mô lớn |
| MCFC | ∼650 | 200–100000 | 60 | Hiệu quả, linh hoạt về nhiên liệu | Khởi động chậm | Công suất quy mô lớn |
| PEMFC | ∼150 | - | 55 | Khởi động nhanh | Chất xúc tác đắt tiền | Vận chuyển và cố định |
| DMFC | ∼100 | 0.001–100 | 40 | Khả năng di động | - | Giảm chi ph |
Bảng 1. So sánh các loại pin nhiên liệu khác nhau (Irshad và cộng sự, 2016, Mekhilef và cộng sự, 2012b).
Nhu cầu năng lượng của mô hình trang trại nuôi cá xa bờ – một nghiên cứu điển hình
Các yêu cầu về năng lượng cho một trang trại nuôi trồng thủy sản xa bờ đã được trình bày chi tiết trong các nghiên cứu trước đây, đặc biệt là bởi Menicou và Vassiliou (Menicou và Vassiliou, 2010). Trong phân tích của mình, các tác giả đã dựa trên một số phát hiện được báo cáo để ước tính nhu cầu năng lượng của một trang trại nuôi biển ngoài khơi kiểu mẫu, làm cơ sở cho nghiên cứu điển hình.
Đối với trang trại kiểu mẫu, các tác giả đã xem xét công suất sản lượng đạt hai nghìn (2000) trọng tải hàng năm. Các nhà nghiên cứu giả định thời gian trưởng thành của cá giống trong khoảng từ 16 đến 18 tháng dương lịch, khung thời gian điển hình cho cá tráp và cá chẽm ở các trang trại Địa Trung Hải (Wagner và Young, 2009). Điều này tương ứng với công suất trang trại hàng năm là 3000 tấn. Xem xét một lồng điển hình có thể chứa 70 đến 80 tấn cá trưởng thành, trang trại mô hình sẽ có tổng cộng 40 lồng.
Hình 3 dưới đây mô tả cách sắp xếp các lồng "song song", một thiết kế được biết đến với nhiều ưu điểm về hoạt động cho ăn và thu hoạch cũng như độ bền của dây neo. Công nghệ này được lên kế hoạch triển khai tại các trang trại ngoài khơi của người Síp, đặc biệt vì chúng không tiếp xúc với các điều kiện hải dương học khắc nghiệt. Tuy nhiên, trong trường hợp điều kiện hải dương học khắc nghiệt, các công nghệ thay thế có thể được xem xét, chẳng hạn như lồng chìm.
Trong bối cảnh một trang trại nuôi biển điển hình, nhu cầu điện cho các hệ thống khác nhau được trình bày chi tiết một cách toàn diện trong nghiên cứu của Menicou và Vassiliou (2010). Do trang trại nuôi biển kiểu mẫu nằm cách xa bờ biển nên bắt buộc phải trang bị thêm cảm biến và hệ thống giám sát giám sát chất lượng cao, cùng với kết nối không dây để truyền video theo thời gian thực đến cơ sở trên bờ. Do đó, các nhà sản xuất đã kết hợp mười camera kiểm tra lồng, bốn camera giám sát, cảm biến lồng không dây và thiết bị video từ xa tương ứng.
Ngoài ra, chúng tôi giả định rằng trang trại sẽ cần 20 đèn ngoài trời, cần thiết cho các cơ sở ngoài khơi. Điều quan trọng cần lưu ý là các cảm biến giám sát dòng hải lưu, nhiệt độ nước và nồng độ oxy không được coi là thiết bị tiêu thụ năng lượng trong nghiên cứu này. Dữ liệu này có thể được lấy thông qua nhiều cảm biến có sẵn trên thị trường từ nhiều công ty khác nhau, chẳng hạn như cảm biến được cung cấp bởi nhóm AKVA (Phao môi trường hải dương học AKVA, n.d), được trang bị pin có thời lượng sử dụng một năm.
Nhu cầu năng lượng của trang trại nuôi biển mô hình trong nghiên cứu điển hình này được trình bày chi tiết trong Bảng 2 và tổng cộng lên tới 19,6 kWh mỗi ngày. Để đáp ứng yêu cầu năng lượng này, chúng ta có thể xem xét sử dụng các giải pháp hydro đã có sẵn như LA, n.d) O nhà máy điện hydro, có giá €54.000. Công nghệ này được gói gọn trong một khối nặng 324 kg được thiết kế để lắp đặt cố định trên các địa điểm nuôi biểnngoài khơi.
Quá trình này bao gồm việc tạo ra hydro từ nước ngọt bằng máy điện phân chạy bằng năng lượng mặt trời. Sau đó, hydro được lưu trữ trong một đơn vị hydrua kim loại, chuyển đổi thành điện năng thông qua pin nhiên liệu và sau đó được phân phối cho các ứng dụng thương mại và dân dụng. Điều đáng chú ý là hệ thống này loại bỏ nhu cầu sử dụng hệ thống lưu trữ pin riêng. Giải pháp LAVO có công suất lưu trữ hydro tương đương 60 kWh, cuối cùng cung cấp 40 kWh điện có thể sử dụng. Để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ tối ưu, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng nước ngọt để vận hành hệ thống, giảm thiểu các vấn đề bảo trì tiềm ẩn liên quan đến việc sử dụng nước biển, (Gao và cộng sự, 2022, Asghari và cộng sự, 2022), đồng thời duy trì chế độ bảo hành của nhà máy . Để duy trì hoạt động toàn diện, cần cung cấp 20–30 lít nước ngọt hàng ngày.
| A/A | Thiết bị | Đơn vị | Công suất trên 1 thiết bị (kW) | Tổng công suất (kW) | Số giờ sử dụng (h) | Công suất/ngày |
| 1 | Đèn chiếu sáng ngoài trời | 20 | 0.1 | 2 | 8 | 16 |
| 2 | Camera thức ăn (Kiểm tra trang trại cá) | 10 | 0.03 | 0.3 | 2 | 0.6 |
| 3 | Camera giám sát | 4 | 0.03 | 0.12 | 24 | 2.88 |
| 4 | Cảm biến lồng không dây | 1 | 0.006 | 0.006 | 12 | 0.072 |
| 5 | Điều khiển Video | 1 | 0.003 | 0.003 | 3 | 0.009 |
| 6 | Tổng số | 36 | 0.17 | 2.43 | 49 | 19.6 |
Bảng 2. Nhu cầu điện năng hàng ngày cho trường hợp nghiên cứu
Việc sử dụng nước ngọt để sản xuất hydro trong các trang trại nuôi biển ngoài khơi, đặc biệt trong các tình huống cần lượng nước tối thiểu như trong trường hợp LAVO, là một giải pháp có thể quản lý được. Khả năng vận chuyển một lượng nhỏ nước ngọt trở nên khả thi, đặc biệt là trong môi trường biển, nơi việc bổ sung lượng nước ngọt hạn chế sẽ đặt ra những thách thức tối thiểu. Mặt khác, việc xem xét tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời, sóng hoặc gió để sản xuất hydro trực tiếp từ nước mặn có thể gây ra sự phức tạp liên quan đến độ mặn và tích tụ muối khi sử dụng kéo dài.
Do đó, mặc dù việc quản lý nước ngọt cho các mục đích cụ thể trong hoạt động nuôi cá ngoài khơi có thể khả thi, nhưng việc chuyển sang các giải pháp nước mặn đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các tác động rộng hơn, bao gồm tác động môi trường và hiệu quả hoạt động. Một giải pháp tiềm năng khác là Hydromax 150, đã được chứng minh là có hiệu quả trong môi trường dưới nước, chẳng hạn như du thuyền buồm (Dynad International BV | Chi tiết kỹ thuật Hydromax,).
Để đáp ứng nhu cầu năng lượng 19,6 kW, cần có sáu bộ Hydromax 150, mỗi bộ có giá €7250, tổng cộng là €43.500. Ngoài ra, một thiết bị thủy phân trị giá €4150 là cần thiết và sẽ được đặt trên bờ biển để cung cấp hydro cho pin nhiên liệu. Ngoài ra, hydro có thể được lấy từ các trạm hydro sẵn có khi chúng trở nên phổ biến hơn. Việc vận chuyển hydro từ thiết bị thủy phân đến pin nhiên liệu sẽ được thực hiện bằng hộp, với 25 lít hydro đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng hàng ngày. Hệ thống này có yêu cầu bảo trì tối thiểu vì nó tự làm sạch sau mỗi chu kỳ vận hành và không cần đào tạo chuyên môn để sử dụng. Tuy nhiên, việc huấn luyện chữa cháy tiêu chuẩn là điều cần thiết do tính dễ cháy của hydro, đồng thời phải tuân thủ các biện pháp an toàn và sức khỏe thường xuyên của nhân viên.
Hydro có thể là giải pháp cho nhu cầu năng lượng của nuôi trồng thủy sản xa bờ?
Các nguồn năng lượng mặt trời và gió chiếm ưu thế trong việc lắp đặt độc lập ở biển khơi. Hệ thống quang điện nổi và tua bin gió rất tốn kém để lắp đặt và đòi hỏi kiến thức và thiết bị chuyên dụng. Đồng thời, các giải pháp năng lượng độc lập này phải được triển khai trong môi trường biển rộng vì chúng cần sử dụng ánh sáng và gió tương ứng để sản xuất điện. Vì điều này, không thể tránh khỏi sự ăn mòn, đóng cặn và phát triển tảo, dẫn đến các vấn đề bảo trì nghiêm trọng như đã thảo luận trước đó.
Mặt khác, tính chất và quy mô của các giải pháp hydro được đề xuất cho phép người dùng đặt chúng trong một môi trường được kiểm soát nhằm giảm thiểu các vấn đề về bảo trì và chi phí. Nghiên cứu điển hình này cho thấy rằng chi phí trên mỗi đơn vị năng lượng từ pin nhiên liệu hydro có thể so sánh với chi phí của các nguồn năng lượng khác, bao gồm các tấm pin mặt trời và tua-bin gió nhỏ. Khả năng tiếp cận hydro thông qua việc sản xuất và lưu trữ tại chỗ thông qua quá trình thủy phân ở các vùng biển rộng tự nó thể hiện như một giải pháp thay thế khả thi cho các lựa chọn năng lượng tái tạo dựa trên động cơ diesel và khác ở các vùng sâu vùng xa. Đối với kịch bản cụ thể hiện tại, nó nổi lên như một lựa chọn tối ưu, đặc biệt là với lượng hydro dồi dào trong môi trường.
Hơn nữa, hydro thể hiện nhiều lợi thế, như đã nêu trước đó, khi so sánh với các nguồn năng lượng mặt trời và gió. Bảng so sánh tóm tắt được trình bày trong Bảng 3. Ngoài ra, xét về mật độ năng lượng, hydro vượt qua các nguồn năng lượng mặt trời, gió và thủy triều, như được trình bày chi tiết trong Bảng 4. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhược điểm chính của hydro có liên quan đến yêu cầu bảo quản và các lo ngại về an toàn do áp suất cao và tính dễ cháy.Nghiên cứu toàn diện về những vấn đề này đã dẫn đến việc phát triển các giải pháp thương mại đầu tiên cho các hệ thống năng lượng quy mô nhỏ chạy bằng hydro, được cho là phù hợp với nghiên cứu điển hình mẫu của chúng tôi . Trong những trường hợp này, các vấn đề về lưu trữ và an toàn đã được giải quyết một cách hiệu quả, khiến các giải pháp được đề xuất trở nên an toàn khi sử dụng thương mại.
| Nguồn | Ưu điểm | Nhược điểm |
| Hydrogen | - Có thể tái tạo và sẵn có - Năng lượng sạch và hỗ trợ chiến lược không carbon - Mạnh mẽ hơn và hiệu quả cao hơn khi so sánh với năng lượng mặt trời và gió - Kết cấu nhỏ gọn | - Lưu trữ hydro - Rất dễ cháy |
| Mặt trời | - Có thể tái tạo và sẵn có - Năng lượng sạch và hỗ trợ chiến lược không carbon | - Phụ thuộc vào thời tiết và địa điểm - Tiết kiệm năng lượng đắt tiền - Hệ thống neo điều khiển hướng - Ăn mòn / độ ẩm cao - Sự phát triển của tảo - Tác động của sóng và gió |
| Gió | - Năng lượng sạch và hỗ trợ chiến lược không carbon - Có thể tái tạo và sẵn có | - Thời tiết và vị trí phụ thuộc - Lưu trữ năng lượng đắt tiền - Không thể đoán trước |
Bảng 3. Tóm tắt ưu nhược điểm của các nguồn năng lượng hydro, năng lượng mặt trời và năng lượng gió áp dụng cho hoạt động môi trường nước
| Nguồn | Mật độ năng lượng (J/m3) |
| Hydro (trong điều kiện môi trường xung quanh) | 12700000 |
| Năng lượng mặt trời | 0.0000015 |
| Gió (ở mức 5 m/s) | 7 |
| Thủy triều | 0.5–50 |
Khi dân số thế giới tiếp tục tăng ở mức chưa từng thấy và đất đai màu mỡ phù hợp cho sản xuất lương thực đạt mức thấp lịch sử do hiện tượng nóng lên toàn cầu, việc chuyển hướng ra biển để đảm bảo tính bền vững của lương thực dường như là con đường duy nhất. Để đạt được điều này, các cơ sở nuôi biển cần mở rộng ra xa bờ biển và được cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo có khả năng hoạt động trên biển.
Trong bối cảnh này, nghiên cứu này cung cấp mô tả về công nghệ hydro và nghiên cứu khả năng cung cấp năng lượng cho các cơ sở nuôi biển xa bờ hydro, dựa trên những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này. Một so sánh được tiến hành với năng lượng mặt trời và năng lượng gió, hai nguồn năng lượng tái tạo được đề xuất trước đây. Các phát hiện cho thấy rằng chi phí của công nghệ hydro không chỉ tương đương với hai nguồn năng lượng tái tạo còn lại mà còn có những lợi thế bổ sung, định vị nó là nhiên liệu thuận lợi cho các hoạt động nuôi biển xa bờ trong tương lai gần.