Tích hợp phát triển năng lượng tái tạo hợp lý với nguồn điện truyền thống

Tính toán khoa học cơ cấu nguồn hợp lý cho quy hoạch điện quốc gia

PGS, TS. BÙI HUY PHÙNG - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Những điều kiện, căn cứ để tích hợp

1/ Tiêu thụ năng lượng sơ cấp và sản xuất điện toàn cầu:

Dưới đây giới thiệu vài con số thống kê tổng hợp năng lượng mới nhất của BP (Statistics Energy of the World 2018 - BP), bảng 1, 2, để hình dung bức tranh chung sử dụng năng lượng và điện năng toàn cầu trong những năm gần đây.

Bảng 1: Tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu theo dạng năng lượng - Triệu TOE:

Từ số liệu trong bảng 1 cho thấy, tiêu thụ năng lượng sơ cấp đang tăng: Năm 2017 đạt trên 13,5 tỷ TOE với tốc độ khoảng 1-1,5%/năm, tất cả các dạng năng lượng đều tăng, kể cả năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo (NLTT) tăng nhanh hơn cả khoảng 15-16%/năm, các nguồn năng lượng hóa thạch chiếm tới 90% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp.

Với mức tiêu thụ năng lượng nêu trên, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt. Một số đánh giá tuy có khác nhau, nhưng đều cho thấy nguồn thủy năng đã cạn, dầu mỏ và khí đốt chỉ còn sử dụng khoảng 50 năm, nguồn than trữ lượng dồi dào hơn (khoảng 1000 tỷ tấn) còn có thể sử dụng khoảng 130 năm.

Bảng 2: Điện năng sản xuất toàn cầu theo dạng nhiêu liệu - tỷ kWh:

Bảng 2 cho thấy, sản xuất điện năng toàn cầu đang tăng với tốc độ khoảng 2,5%/năm, năm 2018 đạt trên 26 nghìn tỷ kWh; trong đó chỉ dầu cho sản xuất điện giảm; khí đốt, thủy năng  đều tăng. Than vẫn tăng về trị tuyệt đối, tỷ trọng có giảm nhưng vẫn ở mức trên 38%. Điện hạt nhân sau sự cố Fukushima, một số nước điều chỉnh giảm, nhưng nhìn chung vẫn tăng. Sản xuất điện từ năng lượng hóa thạch chiếm tới 75% tổng sản xuất toàn cầu. Điện từ NLTT tăng nhanh trong những năm vừa qua, năm 2018 đạt 2480,4 tỷ kWh chiếm 9% [15]. 

2/ Xu thế phát triển năng lượng hiện nay:

Với mức tiêu thụ như trình bày trên đây và nhu cầu năng lượng của thế giới được dự báo sẽ tăng gấp rưỡi trong giai đoạn 2010-2040, trong khi các nguồn năng lượng hoá thạch, nguồn thuỷ năng của hành tinh ngày càng trở nên khan hiếm, đắt đỏ. Mặt khác biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày càng hiện hữu đe dọa hành tinh và nhân loại. Trước bối cảnh đó, các nhà khoa học, các quốc gia đều phải tìm cách để đảm bảo nguồn năng lượng sạch cho phát triển bền vững. Xu thế phát triển năng lượng có thể được khái quát theo hai hướng cung và cầu như sau.

Một là: Hướng cung: 

Thứ nhất: Đa dạng hoá nguồn năng lượng mà chủ yếu là pháp triển sử dụng các nguồn NLTT như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, biomas và các sản phẩm đuợc chế biến từ nó (ethanol, biodisel)... Đây là các nguồn năng lượng sạch, tái sinh, tiềm năng lớn. Phát triển sử dụng NLTT để thay thế dần năng lượng hoá thạch.

Thứ hai: Thăm dò, tìm kiếm bổ sung nguồn năng lượng từ than, dầu, khí, uran, đá dầu, hydrat…

Thứ ba: Hoàn thiện và tìm các phương pháp mới để sản xuất năng lượng. Ví dụ, thay thế các chu trình sản xuất điện truyền thống; phát  triển công nghệ than sạch; hoàn thiện công nghệ NLTT, hoàn thiện công nghệ hạt nhân đảm bảo an toàn, hiệu quả; sản xuất điện năng bằng máy phát từ thủy động; công nghệ pin nhiên liệu; công nghệ nanô, hydro; công nghệ cung cấp năng lượng sinh học; khống chế phản ứng nhiệt hạch để sản xuất năng lượng. Những công nghệ này đang đòi hỏi đầu tư lớn cho nghiên cứu, hoàn thiện.

Hai là: Hướng cầu: 

Thứ nhất: Sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm - là xu thế chiến lược được xem là quốc sách ở hầu hết các quốc gia hiện nay.

Thứ hai: Hoàn thiện và sáng tạo các công nghệ sử dụng ít năng lượng, nhu cầu năng lượng không thể tăng mãi với tốc độ cao; xu thế đang hướng tới những đột phá, đổi mới nguyên tắc sử dụng năng lượng ít nhất cho cả sản xuất và đời sống.

3/ Đặc điểm của một số nguồn điện:

Chúng ta đều biết các loại nguồn điện đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. 

Nhiệt điện than, dầu, khí:

- Công nghệ lò hơi, tua bin đã được tiêu chuấn hóa với mức độ cao.

- Quy mô công suất lớn, tổ máy có thể đạt 1000 MW và cao hơn.

- Khả năng mang tải cao, đạt 6000 - 7000 giờ/năm.

- Tính kinh tế cao, giá điện thấp, điện than bình quân khoảng 6 cents/kWh.

- Nhiên liệu sử dụng là khoáng sản (than, dầu, khí đang dần cạn kiệt).

- Nhược điểm, phát thải CO2, xỉ, bụi…

Về điện hạt nhân, các ưu điểm tương tự như nhiệt điện, tuy phát thải CO2 không đáng kể, nhưng nhược điểm lớn là có khả năng rò rỉ phóng xạ.

Từ khi con người xây dựng nhà điện hạt nhân đầu tiên đến nay đã 6-7 thập niên, công nghệ đã không ngừng được cải tiến qua 3-4 thế hệ, mức độ an toàn hạt nhân ngày càng cao, đã đóng góp 11-12% tổng điện sản xuất toàn cầu với giá ngang ngửa với nhiệt điện than.

Về sự cố và tai nạn có nhiều, nhưng điển hình có hai vụ. Một là, sự cố Chernobyl năm 1986, đã làm 60 người tử vong; hai là năm 2011, tại Nhật Bản động đất lớn cùng với sóng thần cao 14-15m, đã cướp đi khoảng hai vạn sinh mạng và phá hủy cơ sở điện hạt nhân Fukushima với nhiều người bị phơi nhiểm phóng xạ. Đây là những tai nạn rất nghiêm trọng, khắc phục khó khăn, tốn kém. Tuy nhiên, những tai nạn của nhà máy điện cổ điển, công nghiệp khác cũng không kém phần tồi tệ. Thống kê có rất nhiều, đơn cử một số vụ: Sự cố vỡ đập thủy điện ở Trung Quốc năm 1975; sự cố vỡ đập thuỷ điện Xepian-Xe Nam Noy tháng 7/2018 ở Nam Lào đã làm ngập nhiều làng; năm 1984 vụ rò khí Bhopal tại Nhà máy Union Carbide - Ấn Độ; các tai nạn sập hầm mỏ, nổ lò hơi nhiệt điện cũng xẩy ra không ít. Tuy nhiên không vì sự cố mà chúng ta từ bỏ, kỳ thị các ngành công nghiệp này.

Điện từ năng lượng tái tạo

Những năm gần đây, NLTT được chú ý phát triển nhanh, suất vốn đầu tư và giá điện từ năng lượng mặt trời và gió đã giảm nhiều trong 5-7 năm gần đây. Trong bài viết chủ yếu đề cập NLMT và gió. Đầu tư điện mặt trời (ĐMT) hiện nay ở châu Á khoảng 1100 USD/kW, điện gió trên bờ, ngoài khơi tương ứng khoảng 1700 USD/kW, 4500 USD/kW; giá ĐMT bình quân trên thế giới khoảng 9 cent/kWh, châu Á khoảng 11cent/kWh [14].

Ở Việt Nam các dự án ĐMT tại Ninh Thuận đầu tư khoảng 1050 USD/kW, điện gió trên bờ khoảng 2500 USD/kW, giá ĐMT: 9,35 cent/kWh (theo Quyết định số 11/QĐ-TTg, năm 2017).

Tuy nhiên điện mặt trời và gió hiện nay thể hiện những hạn chế chưa dễ khắc phục:

Thứ nhất: Từ đặc điểm tự nhiên, thời tiết ai cũng rõ, ĐMT và gió không liên tục, đặc biệt là mặt trời, vì thế hệ số sử dụng công suất (HSCS) rất thấp; đối với ĐMT chỉ khoảng 15-18%, điện gió trên bờ khoảng 30-33%, điện gió ngoài khơi khoảng 35-38%, thủy điện: 45-48%, điện sinh khối: 50-60%, trong khi nhiệt điện 75-80%, điện hạt nhân tới 85-90% [14].

Thứ hai: Bởi HSCS của ĐMT và gió thấp, các nguồn này không thể đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục, nhất là ban đêm, lúc lặng gió. Giá ĐMT và gió thường được nêu như trên là tính với công suất trang bị khi có nắng, có gió; muốn đảm bảo cung cấp điện liên tục cần có công suất nguồn truyền thống dự phòng và ắc quy tích năng lượng, cần chi phí lớn, do đó phải tính toán đầy đủ minh bạch.

Thứ ba: Điện mặt trời và gió thường phân tán, sử dụng đất lớn, khâu truyền tải, phân phối rất khó khăn, làm tăng chi phí.

Thứ tư: Ở Việt Nam gần đây phát triển NLTT thiếu quy hoạch, đặc biệt ĐMT phát triển khá ồ ạt (trên 120 dự án đã phê duyệt, trên 200 dự án chờ phê duyệt) mang tính phong trào, nhiều dự án ĐMT ở miền Trung không truyền tải được; chưa đồng bộ với hệ thống điện…

Một số kết quả nghiên cứu  gần đây cho thấy:

Thứ nhất: Trong khuôn khổ dự án “Tích hợp các mục tiêu NLTT vào hệ thống điện Việt Nam” do World Bank giúp Bộ Công Thương thực hiện [12], Báo cáo kết quả sơ bộ tại Hội thảo Hà Nội ngày 30-5-2018 cho thấy: Các chuyên gia quốc tế đã có tính toán bước đầu tích hợp NLTT với hệ thống điện Việt Nam, trên cơ sở Quy hoạch điện 7 (điều chỉnh), nếu giảm 25% CO2, than 10%, phải đầu tư thêm 45 tỷ USD cho NLTT, để ổn định hệ thống điện cần đầu tư thêm 12 tỷ USD cho công suất dự trữ đến 2035. Kết quả tính toán còn cần thảo luận cả về phương pháp và cơ sở dữ liệu. Chính các chuyên gia quốc tế thực hiện cũng thừa nhận ngay tại hội thảo, đây mới chỉ là “bài tập”, chỉ là “lời nhắn” góp phần tiếp tục xây dựng Quy hoạch điện 8 tới đây.

Thứ hai: Dự án hợp tác của Bộ Công Thương và Đan Mạch: Triển vọng Năng Việt nam 2019 [13], kết quả mới được thông báo tại Hội thảo ngày 4-11-2019 tại Hà Nội, với những tính toán khoa học, báo cáo đã thông báo một số kịch bản phát triển điện và năng lượng, khuyến nghị một số chính sách cho Việt Nam. Tuy nhiên, những đề nghị về nguồn năng lượng, tỷ trọng NLTT, ổn định hệ thống…chắc còn cần tính toán và thảo luận cụ thể hơn.

Thứ ba: Nhiều năm qua, Quy hoạch điện lực có những bất cập [2,3]. Năm 2017 Bộ Công Thương đã yêu cầu xây dựng Quy hoạch phát triển năng lượng quốc gia giai đoạn 2016-2025, định hướng đền 2035. Báo cáo được Viện Năng lượng chuẩn bị từ 6-2017 [4], tuy còn một số nội dung về phương pháp, tính cập nhật của số liệu… cần được thảo luận, nhưng Báo cáo đã được chuẩn bị khá công phu, tính toán Quy hoạnh điện trong mối quan hệ năng lượng chung. Đáng tiếc công việc bị ngưng lại, chờ xây dụng Quy hoạch điện 8! 

Thứ tư: Với bối cảnh nói trên, có thể nhận định: Điện từ nguồn tái tạo chưa thể thay thế trực tiếp với số lượng lớn và đáng tin cậy cho các nguồn điện truyền thống từ điện than, khí đốt, thủy điện lớn, điện hạt nhân.

Phương pháp tính toán tích hợp tổng thể

Để tính toán tích hợp tối ưu sử dụng nguồn NLTT với các nguồn truyền thống, thực chất là tính toán quy hoạch phát triển cơ cấu tối ưu, hợp lý sử dụng các nguồn năng lượng. Đây là bài toán Quy hoạch tổng thể năng lượng quốc gia được phân hai cấp: Quốc gia/vùng và phân ngành.

Nội dung cơ bản của Quy hoạch tổng thể năng lượng quốc gia [8,9,10]: Xuất phát từ tình hình phát triển kinh tế - năng lượng - môi trường quốc tế, chiến lược phát triển KT-XH của đất nước, điều kiện các nguồn năng lượng trong và ngoài nước (than, dầu, khí, thuỷ năng, năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân...), tính thay thế lẫn nhau giữa chúng. Tiếp đến là tiến bộ khoa học - công nghệ, yêu cầu bảo vệ môi trường, xây dựng và tính toán kịch bản phát triển hệ thống năng lượng hiệu quả với các giai đoạn quy hoạch theo luật định. Từ kết quả Quy hoạch tổng thể năng lượng quốc gia, tiến hành tính toán quy hoạch điện lực (phân ngành) và chế độ làm việc của nó. Quá trình tính toán sẽ được lặp lại để có thể nhận được phương án tối ưu, hợp lý.

Theo cách tiệm cận trên, các phương pháp và công cụ tính toán hiện đại có thể được sử dụng, mà hiện nay ở Việt Nam đã được chuyển giao, nghiên cứu - có thể kể tới sau đây:

1/ Về dự báo nhu cầu năng lượng nói chung và điện nói riêng, có thể sử dụng phương pháp, phần mên phân tích đánh giá nhu cầu năng lượng - MEDEE (Model d’evalution de la demande d’energie), hoặc phương pháp rút gọn - MAED (The Model of Analysis of  the Energy Demand) phối hợp với các phương pháp khác (kinh tế lượng, hệ số đàn hồi...).

2/ Về tính toán cân đối, phát triển nguồn năng lượng có thể sử dụng phương pháp tối ưu dòng năng lượng - EFOM-ENV; phương pháp chiến lược cung cấp năng lượng - MESSAGE, MAKAL, PDPAT; phương pháp và phần mềm LEAP; phương pháp và phần mềm tính chế độ làm việc hệ thống điện,… Một số phương pháp hỗ trợ quyết định phối hợp với phương pháp chuyên gia, phân tích và đề nghị phương án khả thi [5,6,7,8,9].

Việc lựa chọn phương pháp và phần mềm để tính toán sẽ được cơ quan tư vấn lập quy hoạch (kể cả nước ngoài) đề nghị.

Sự phù hợp pháp lý

Thực hiện tính toán tổng thể, tích hợp như trên đã theo đúng các quy định của Luật Điện lực và Luật Quy hoạch hiện nay [1]. Theo đó, Quy hoạch phát triển điện lực sẽ phù hợp với Quy hoạch các nguồn năng lượng sơ cấp cho phát điện (gồm cả than, dầu-khí, hạt nhân, NLTT…) và tính đến quy hoạch khác có liên quan theo quy định của pháp luật - chính là Quy hoạch tổng thể năng lượng quốc gia. Đồng thời, những nội dung từ phê duyệt, chọn tư vấn, thẩm định cơ sở dữ liệu, kết quả quy hoạch, công khai quy hoạch v.v... cần  được tuân thủ pháp lý.

Ngày 1/10/2019, Chính phủ vừa ban hành QĐ 1264/QĐTTg phê duyệt nhiệm vụ lập Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, thời kỳ 2020-2030, tầm nhìn 2045 (Quy hoạch điện 8), trong đó nhấn mạnh ưu tiên phát triển điện tái tạo, đảm bảo sự tham gia của các thành phần kinh tế, đặc biệt là tư nhân.

Kết luận và Kiến nghị

1/ Thế giới đang giai đoạn chuyển đổi cơ cấu sử dụng năng lượng, đảm bảo công bằng xã hội. Việt Nam đang trong quá trình chuyển đổi mô hình phát triển bền vững. Đặc biệt, hiện nay Nhà nước đang xem xét đánh giá các chiến lược, quy hoạch đã thực hiện và đề xuất chiến lược, quy hoạch mới. Việc tổ chức xây dựng Quy hoạch năng lượng, Quy hoạch điện lực quốc gia… là rất cần thiết và không thể theo phương thức “truyền thống” riêng lẻ, thậm chí thiếu quy hoạch, mà cần thực hiện Quy hoạch tổng thể năng lượng quốc gia để làm cơ sở khoa học, pháp lý cho việc tiến hành quy hoạch phân ngành, đảm bảo tính đồng bộ, hài hòa, theo tinh thần đổi mới, tuân thủ Luật Điện lực sửa đổi 2013 và Luật Quy hoạch 2017.

2/ Cần tổ chức tính toán khoa học, chi tiết với cơ sở dữ liệu tin cậy để xác định quá trình phát triển hợp lý nguồn điện tái tạo (đặc biệt là mặt trời, gió) cùng với các nguồn truyền thống (điện than, khí đốt, điện hạt nhân) nhằm đảm bảo chế độ làm việc của hệ thống, cung cấp điện an toàn, liên tục; đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật, môi trường.

3/ Với Quyết định phê duyệt nhiệm vụ xây dựng Quy hoạch điện 8, đề nghị Bộ Công Thương tổ chức, huy động các đơn vị có năng lực liên quan như: Viện Năng lượng (Bộ Công Thương); Viện Chiến lượcPphát triển (Bộ Kế hoạch và Đầu tư); Viện Khoa học Năng lượng (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam); Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (Bộ Khoa học và Công nghệ), các viện nghiên cứu thuộc các tập đoàn liên quan phối hợp thực hiện. Đặc biệt là phải tổ chức đấu thầu tư vấn lập quy hoạch và tiến hành các nội dung theo luật định./.

Hà Nội, 11/2019

Tài liệu tham khảo:

[1] Luật Điện lực 2013, Luật Quy hoạch, 2017

[2] QHĐ VII- 2011và QHĐ VII ĐC 3-2016

[3] Bất cập của QHĐ VII và kiến nghị khắc phục, TCNLVN, 5-2018

[4] Báo cáo Dự thảo QH NLTT – Viện NL- Bộ CT- 7-2017

[5] Methodological Guide-EFOM-ENV, United Nations, 1992

[6] Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impacts-MESSAGE, IAEA, 2003

[7] Long rang Energy Altenatives Planning system-LEAP, mới cập nhật 2012

[8] Bùi Huy Phùng và cs.Nghiên cứu  phương án tổng thể khai thác và sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng VN, CTKH&CN trọng điểm. Bộ CN, GĐ 2001-2005-Viện KH&CN VN, 8-2005

[9] Bùi Huy Phùng, Phương pháp tính toán TƯ phát triển bền vững HTNL, NXB KH&KT, Hà nội 2011

[10] Bùi Huy Phùng, QHNLTTQG là cơ sở khoa học và pháp lí của các QH phân ngành năng lượng, TCNLVN,Số (8,9) 2012

[11] Tae Yong Jung, Chính sách Năng lượng bền vững ở VN, DA Chính sách công,VN-HQ , HT Hà nội, 3-2014

[12] Tài liệu hội thảo Bộ CT và WB, Hà Nội 2018

[13] RE for Vietnam, Institute Sustainable Futures, Autralia, 2019

[14] International Renewable Energy Agency, 2018

[15] EIA Energy Statictics, 2018