Năng lượng gió: Các vấn đề chung

Công nghệ và kỹ thuật của quang điện

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN [*]

Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự tái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp. Các trạm điện tua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường được xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện.

Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt (tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế khác.

Nhược điểm cơ bản của điện gió

Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và kinh tế. Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự không ổn định của gió sẽ làm gia tăng sự không ổn định trong cung cấp điện, đòi hỏi phải áp dụng công nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện. Các nhược điểm cơ bản của việc phát triển điện gió gồm:

1/ Sản lượng điện phát ra của các tua bin gió phụ thuộc hoàn toàn vào sức gió - một đại lượng rất không ổn định trong ngày, trong tháng, trong năm và trong cả nhiều năm. Không có hệ thống điện nào có thể chấp nhận được sự bất định như vậy.

2/ Trong khi biểu đồ phụ tải của hệ thống điện vốn rất không ổn định, các tua bin gió dù lớn hay nhỏ không những không có khả năng tham gia vào việc điều tần của hệ thống điện (vì phụ thuộc 100% vào tự nhiên), mà còn gây ra nhiều bất cập trong điều độ của hệ thống, đòi hỏi hệ thống điện phải có nguồn dự phòng cao.

3/ Khi tỷ trọng công suất điện gió lớn, để có dự phòng cao, đòi hỏi phải xây dựng thêm các nguồn điện đắt tiền khác như nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy dầu, thủy điện, và thủy điện tích năng. Điều này sẽ dẫn đến một rào cản khác về mặt kinh tế là giá thành điện bình quân của hệ thống sẽ tăng lên rất cao. Vì vậy, trên thế giới, chủ quản của các hệ thống điện thường không “mặm mà” với điện gió, và không muốn đấu nối điện gió vào hệ thống, trừ khi có sự ép buộc của Chính phủ và/hoặc có cơ chế bù đắp chi phí.

4/ Khi tỷ trọng điện gió trong hệ thống đạt mức 20÷25%, sẽ xuất hiện các vấn đề nghiêm trọng trong lưới điện (lưới điện sẽ bị mất kiểm soát - không điều phối được). Đây là điều bắt buộc phải tính đến trong qui hoạch phát triển ngành điện trên quan điểm đảm bảo an toàn và ổn định về cung cấp điện cho nền kinh tế.

5/ Đối với các tua bin gió nhỏ lẻ, việc đấu nối với lưới quốc gia có thể trở nên không khả thi về mặt kinh tế. Vấn đề này chỉ có thể giải quyết được một phần nếu tua bin gió được nối với lưới điện cục bộ (tại chỗ) với điều kiện các thiết bị phân phối, truyền tải hiện có và tua bin gió phải có công suất phù hợp với nhau.

6/ Đối với các tua bin gió công suất lớn, vấn đề khó khăn nhất liên quan đến các qui trình sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng (khi phải sửa chữa hay thay thế các chi tiết/bộ phận có kích thước lớn và trọng lượng lớn như rotor, cánh quạt) ở độ cao hơn 100m.

Các máy phát điện bằng tua bin gió

Các máy phát điện gió (tua bin gió) có thể chia thành 2 loại: công nghiệp và gia dụng. Các máy tua bin gió công nghiệp hiện đại có công suất lên tới 7,5MWe. Công suất của tua bin gió phụ thuộc vào diện tích hứng gió của các cánh quạt (rotor của tua bin) và chiều cao của tua bin so với mặt đất.

Ví dụ, loại tua bin gió công suất 3MWe (V90) của hãng Vestas (Đan Mạch) có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m, và đường kính cánh quạt 90m.

Theo lý thuyết về khí động học, các luồng không khí chuyển động ở gần mặt đất hay mặt biển thuộc loại các dòng chảy theo lớp/tầng (laminar), trong đó, các lớp nằm thấp hơn sẽ cản các lớp nằm ở phía trên cao hơn. Hiệu ứng này rất rõ nét ở độ cao đến 1000m, nhưng giảm mạnh ở độ cao trên 100m. Vì vậy, ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt (tăng công suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế khác.

Các tua bin gió hiện đại được thiết kế phát điện ở tốc độ gió từ 3m/s và tự động dừng phát điện khi tốc độ gió lớn hơn 25m/s. Hiệu suất tối đa của tua bin gió thường đạt được ở tốc độ gió 15m/s. Công suất phát điện của tua bin gió tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió. Ví dụ, nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần (từ 5m/s lên 10m/s), công suất phát điện sẽ tăng lên 8 lần.

Đồ thị công suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s) khác nhau.

Đồ thị trên cho thấy, một tua bin gió có công suất khoảng 500W ở tốc độ gió 5m/s, và có công suất khoảng 4.900W ở tốc độ gió 10m/s (tăng gần 10 lần).

Trên thế giới, tua bin gió phổ biến nhất hiện nay có 3 cánh, trục nằm ngang. Đôi khi cũng có loại 2 cánh. Đối với những nơi có tốc độ gió thấp, loại tua bin có trục đứng được coi là có hiệu quả nhất (kiểu con quay, chong chóng). Loại tua bin trục đứng cũng đang có thị trường mở rộng vì phần lớn dân cư nằm trong đất liền, nơi có tốc độ gió trung bình 3÷12m/s thấp hơn so với vùng ven biển. Ở những nơi có tốc độ gió thấp, tua bin trục thẳng đứng có hiệu suất cao hơn hẳn so với tua bin trục nằm ngang.

Ngoài ra, tua bin trục đứng còn có nhiều ưu điểm đáng kể khác như: hầu như không có tiếng ồn, không đòi hỏi bất kỳ công việc duy tu/bảo dưỡng nào, thời hạn làm việc hơn 20 năm. Hệ thống hãm theo các thiết kế mới nhất cho phép tua bin làm việc ổn định ngay cả khi tốc độ gió tăng vọt (giật) lên đến 60 m/s.

Điện gió ngoài khơi

Các vùng biển ngoài khơi gần bờ (cách bờ 10÷60km) được coi là (không chiếm đất, có độ sâu nước không quá lớn, có gió biển điều hòa, và không nhận thấy từ đất liền) có triển vọng nhất để sản xuất điện bằng tua bin gió. Tuy nhiên, chi phí đầu tư xây dựng các tua bin gió ngoài khơi thường cao hơn 1,5-2 lần so với trong đất liền (tháp gió phải cao hơn, nền móng phải vững bền hơn, chịu được nước mặn, v.v...). Ở ngoài khơi, các tháp tua bin được đặt trên móng cọc, các cọc móng được đóng sâu tới 30m, hoặc được đặt trên các giàn nổi.

Tua bin gió nổi ngoài biển đầu tiên được công ty H Technologies BV thiết lập vào cuối năm 2007 có công suất 80kW, nằm cách bờ biển phía Nam Ý 10,6 hải lý, ở nơi nước biển có độ sâu 108m. Công ty StatoilHydro của Na Uy đã thiết kế các tua bin gió nổi cho các trạm điện gió ngoài khơi có độ sâu lớn.

Từ năm 2009, công ty StatoiHydro đã xây dựng một tua bin gió “Hywind” trình diễn có công suất 2,3MW, nặng 5.300 tấn, đường kính rotor 82,4m, với tháp của tua bin có độ cao 65m trên mực nước biển và 100m nằm trong nước biển, cách đảo Carma 10km phía tây - nam Na Uy.

Điện gió trên đất liền

Một trạm điện gió có thể bao gồm nhiều tua bin gió (có thể lên tới hơn 100 tua bin) được lắp đặt gần nhau và thường được thiết lập ở những nơi có có tốc độ gió trung bình cao nhất từ 4,5m/s. Trạm điện gió ở gần thành phố Roscoe, bang Texas, Mỹ được công ty E.ON của Đức xây dựng đưa vào vận hành từ 2009 có tới 627 tua bin gió do Mitsubishi, General Electric và Siemens chế tạo, với tổng công suất gần 780MW và có diện tích không nhỏ hơn 400 km2.

Gió trong đất liền thường không ổn định (về tốc độ và về hướng) như gió ở ngoài khơi. Việc xây dựng các trạm điện gió trong đất liền đỏi hỏi phải khảo sát rất bài bản về tốc độ gió và hướng gió.

Việc khảo sát (đo) tốc độ và hướng gió cần được tiến hành ở độ cao từ trên 30m và trong thời gian 1÷2 năm. Thông thường, các số liệu thống kê có sẵn về tốc độ gió của các trạm khí tượng không dùng được cho việc thiết kế tua bin gió vì các trạm khí tượng chỉ đo gió ở độ cao khoảng 10m và nằm trong các vùng gần khu dân cư hay tại các sân bay.

Ở nhiều nước, các tua bin gió được thiết kế theo bản đồ gió do các cơ quan nhà nước thành lập, hoặc được thiết lập bằng vốn ngân sách. Ví dụ, ở Canada Bộ Phát triển và Bộ Tài nguyên đã thành lập tập bản đồ (atlat) gió và phần mềm mô phỏng về năng lượng gió (Wind Energy Simulation Toolkit- WEST) cho phép khảo sát để lập phương án xây dựng tua bin gió ở bất kỳ vị trí nào. Chương trình Phát triển của Liên hợp quốc từ năm 2005 đã thành lập bản đồ gió cho 19 nước đang phát triển.

Để giảm thiểu ảnh hưởng của các tua bin gió đến môi trường, người ta phải đưa ra một số qui định cụ thể đối với các tua bin gió. Ví dụ, ở Anh, Đức, Đan Mạch độ ồn tối đa của các tua bin gió nhỏ hơn 45 dB vào ban ngày và nhỏ hơn 35 dB vào ban đêm; khoảng cách tối thiểu đến các nhà có người ở là 300m, trong thời kỳ chim di cư, các tua bin gió phải ngừng hoạt động, v.v...

Nguồn điện gió có thay thế được các nguồn điện truyền thống?

Viện nghiên cứu Năng lượng của Mỹ và Liên minh về Năng lượng Than sạch của Mỹ đã phối hợp nghiên cứu, đánh giá và so sánh về giá so sánh tiêu chuẩn của điện năng thu được từ các nguồn năng lượng mới và nguồn năng lượng truyền thống.

Giá so sánh tiêu chuẩn của điện năng (levelized cost of electricity - LCOE) là giá thành sản xuất trung bình được tính cho toàn bộ thời gian tồn tại của nhà máy phát điện (bao gồm tất cả các đầu tư cần thiết, các chi phí và thu nhập). Đây là công cụ đánh giá các nguồn năng lượng, cho phép so sánh các phương pháp sản xuất điện khác nhau trên cùng một cơ sở ổn định. Giá được xác định cho một chu kỳ sống của nhà máy điện có thời hạn 20-40 năm và được tính trên kWh.

Dựa trên các số liệu do các nhà sản xuất điện cung cấp, kết quả nghiên cứu đánh giá của Viện Năng lượng Mỹ đã chỉ ra nhiều yếu tố quan trọng đã không được tính đến trong các báo cáo khác về LCOE. Trong đó, có các chi phí quan trọng chưa được tính đến, cần được chi bổ sung cho điện gió và điện mặt trời, gồm:

1/ Các chi phí phát sinh liên quan đến việc phải có các nguồn năng lượng thường trực dự phòng ở mức độ sẵn sàng đưa vào thay thế cho điện gió và điện mặt trời theo yêu cầu của phụ tải và chi phí cho việc duy trì các nguồn điện dự phòng này khi điện gió và điện mặt trời tham gia phát điện vào lưới.

2/ Các chi phí liên quan đến việc phải tìm kiếm và đưa vào khai thác thêm các nguồn năng lượng truyền thống để phục vụ cho việc xây dựng thêm các nguồn điện dự phòng này.

Việc tính đủ các thành phần chi phí như nêu trên mới cho phép đánh giá đầy đủ và so sánh chính xác về chi phí của các nguồn năng lượng.

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, giá thành 1 MWe từ các nguồn như sau: nhiệt điện than- 41$, nhiệt điện khí- 36$, điện nguyên tử 33$, thủy điện- 38$, điện gió- 90$, điện mặt trời- 88,7$ (xem đồ thị sau).

Đồ thị trên cho thấy, giá so sánh tiêu chuẩn của điện năng từ nguồn năng lượng tái tạo mới (điện gió và điện mặt trời) cao hơn trên 2 lần so với giá điện từ các nguồn năng lượng truyền thống.

Liên quan đến kết quả nghiên cứu này, ông Tom Pyle - Chủ tịch Viện Năng lượng Mỹ đã tuyên bố: “Nghiên cứu này cho thấy, tại sao một chính sách ngu ngốc như “Thỏa thuận xanh mới” (Green New Deal) và chuyển đổi 100% sang các nguồn tài nguyên tái tạo có thể gây thiệt hại cho nền kinh tế của chúng ta và làm tăng đáng kể chi phí điện cho các hộ gia đình Mỹ. Việc chuyển đổi sản xuất điện từ các nhà máy điện có giá cả phải chăng và đáng tin cậy sang các nguồn năng lượng mặt trời và gió tốn kém và không ổn định sẽ làm tăng đáng kể chi phí điện cho các doanh nghiệp và gia đình. Nghiên cứu này cung cấp cơ hội để kiểm tra thực tế cho những người đưa ra quyết định liên quan đến chính sách năng lượng của Mỹ”.

Bà Michelle Bloodworth - Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc điều hành của Liên minh vì Năng lượng Than sạch của Mỹ đã nói: “Nghiên cứu mới này rất có giá trị ở chỗ nó cung cấp sự so sánh các nguồn điện truyền thống và nguồn điện mới theo cùng một thông số chung. Nghiên cứu cho thấy các nhà hoạch định chính sách nên xem xét cẩn thận LCOE khi quyết định ngừng hoạt động của các nhà máy nhiệt điện than, vì thay thế chúng bằng khí, gió, hoặc mặt trời có thể là một quyết định kinh tế tồi tệ”.

(Đón đọc kỳ tới: “Năng lượng gió: Các vấn đề kỹ thuật”)

[*] Tạp chí Năng lượng Việt Nam; Đại học Điện lực Hà Nội